# 4.9 已建立连接的TCP,收到SYN会发生什么?

大家好,我是小林。

昨晚有位读者问了我这么个问题:

大概意思是,一个已经建立的 TCP 连接,客户端中途宕机了,而服务端此时也没有数据要发送,一直处于 Established 状态,客户端恢复后,向服务端建立连接,此时服务端会怎么处理?

看过我的图解网络的读者都知道,TCP 连接是由「四元组」唯一确认的。

然后这个场景中,客户端的 IP、服务端 IP、目的端口并没有变化,所以这个问题关键要看客户端发送的 SYN 报文中的源端口是否和上一次连接的源端口相同。

1. 客户端的 SYN 报文里的端口号与历史连接不相同

如果客户端恢复后发送的 SYN 报文中的源端口号跟上一次连接的源端口号不一样,此时服务端会认为是新的连接要建立,于是就会通过三次握手来建立新的连接。

那旧连接里处于 Established 状态的服务端最后会怎么样呢?

如果服务端发送了数据包给客户端,由于客户端的连接已经被关闭了,此时客户的内核就会回 RST 报文,服务端收到后就会释放连接。

如果服务端一直没有发送数据包给客户端,在超过一段时间后,TCP 保活机制就会启动,检测到客户端没有存活后,接着服务端就会释放掉该连接。

2. 客户端的 SYN 报文里的端口号与历史连接相同

如果客户端恢复后,发送的 SYN 报文中的源端口号跟上一次连接的源端口号一样,也就是处于 Established 状态的服务端收到了这个 SYN 报文。

大家觉得服务端此时会做什么处理呢?

  • 丢掉 SYN 报文?
  • 回复 RST 报文?
  • 回复 ACK 报文?

刚开始我看到这个问题的时候,也是没有思路的,因为之前没关注过,然后这个问题不能靠猜,所以我就看了 RFC 规范和看了 Linux 内核源码,最终知道了答案。

我不卖关子,先直接说答案。

处于 Established 状态的服务端,如果收到了客户端的 SYN 报文(注意此时的 SYN 报文其实是乱序的,因为 SYN 报文的初始化序列号其实是一个随机数),会回复一个携带了正确序列号和确认号的 ACK 报文,这个 ACK 被称之为 Challenge ACK。

接着,客户端收到这个 Challenge ACK,发现确认号(ack num)并不是自己期望收到的,于是就会回 RST 报文,服务端收到后,就会释放掉该连接。

# RFC 文档解释

RFC 793 文档里的第 34 页里,有说到这个例子。

原文的解释我也贴出来给大家看看。

  • When the SYN arrives at line 3, TCP B, being in a synchronized state, and the incoming segment outside the window, responds with an acknowledgment indicating what sequence it next expects to hear (ACK 100).
  • TCP A sees that this segment does not acknowledge anything it sent and, being unsynchronized, sends a reset (RST) because it has detected a half-open connection.
  • TCP B aborts at line 5.
  • TCP A willcontinue to try to Established the connection;

我就不瞎翻译了,意思和我在前面用中文说的解释差不多。

# 源码分析

处于 Established 状态的服务端如果收到了客户端的 SYN 报文时,内核会调用这些函数:

tcp_v4_rcv
  -> tcp_v4_do_rcv
    -> tcp_rcv_Establisheded
      -> tcp_validate_incoming
        -> tcp_send_ack

我们只关注 tcp_validate_incoming 函数是怎么处理 SYN 报文的,精简后的代码如下:

从上面的代码实现可以看到,处于 Established 状态的服务端,在收到报文后,首先会判断序列号是否在窗口内,如果不在,则看看 RST 标记有没有被设置,如果有就会丢掉。然后如果没有 RST 标志,就会判断是否有 SYN 标记,如果有 SYN 标记就会跳转到 syn_challenge 标签,然后执行 tcp_send_challenge_ack 函数。

tcp_send_challenge_ack 函数里就会调用 tcp_send_ack 函数来回复一个携带了正确序列号和确认号的 ACK 报文。

# 如何关闭一个 TCP 连接?

这里问题大家这么一个问题,如何关闭一个 TCP 连接?

可能大家第一反应是「杀掉进程」不就行了吗?

是的,这个是最粗暴的方式,杀掉客户端进程和服务端进程影响的范围会有所不同:

  • 在客户端杀掉进程的话,就会发送 FIN 报文,来断开这个客户端进程与服务端建立的所有 TCP 连接,这种方式影响范围只有这个客户端进程所建立的连接,而其他客户端或进程不会受影响。
  • 而在服务端杀掉进程影响就大了,此时所有的 TCP 连接都会被关闭,服务端无法继续提供访问服务。

所以,关闭进程的方式并不可取,最好的方式要精细到关闭某一条 TCP 连接。

有的小伙伴可能会说,伪造一个四元组相同的 RST 报文不就行了?

这个思路很好,但是不要忘了还有个序列号的问题,你伪造的 RST 报文的序列号一定能被对方接受吗?

如果 RST 报文的序列号不是对方期望收到的序列号,这个 RST 报文会被对方丢弃的,就达不到关闭的连接的效果。

举个例子,下面这个场景,客户端发送了一个长度为 100 的 TCP 数据报文,服务端收到后响应了 ACK 报文,表示收到了这个 TCP 数据报文。服务端响应的这个 ACK 报文中的确认号(ack = x + 100)就是表明服务端下一次期望收到的序列号是 x + 100

所以,要伪造一个能关闭 TCP 连接的 RST 报文,必须同时满足「四元组相同」和「序列号是对方期望的」这两个条件。

直接伪造符合预期的序列号是比较困难,因为如果一个正在传输数据的 TCP 连接,序列号都是时刻都在变化,因此很难刚好伪造一个正确序列号的 RST 报文。

# killcx 的工具

办法还是有的,我们可以伪造一个四元组相同的 SYN 报文,来拿到“合法”的序列号!

正如我们最开始学到的,如果处于 Established 状态的服务端,收到四元组相同的 SYN 报文后,会回复一个 Challenge ACK,这个 ACK 报文里的「确认号」,正好是服务端下一次想要接收的序列号,说白了,就是可以通过这一步拿到服务端下一次预期接收的序列号。

然后用这个确认号作为 RST 报文的序列号,发送给服务端,此时服务端会认为这个 RST 报文里的序列号是合法的,于是就会释放连接!

在 Linux 上有个叫 killcx 的工具,就是基于上面这样的方式实现的,它会主动发送 SYN 包获取 SEQ/ACK 号,然后利用 SEQ/ACK 号伪造两个 RST 报文分别发给客户端和服务端,这样双方的 TCP 连接都会被释放,这种方式活跃和非活跃的 TCP 连接都可以杀掉。

killcx 的工具使用方式也很简单,如果在服务端执行 killcx 工具,只需指明客户端的 IP 和端口号,如果在客户端执行 killcx 工具,则就指明服务端的 IP 和端口号。

./killcx <IP地址>:<端口号>

killcx 工具的工作原理,如下图,下图是在客户端执行 killcx 工具。

它伪造客户端发送 SYN 报文,服务端收到后就会回复一个携带了正确「序列号和确认号」的 ACK 报文(Challenge ACK),然后就可以利用这个 ACK 报文里面的信息,伪造两个 RST 报文:

  • 用 Challenge ACK 里的确认号伪造 RST 报文发送给服务端,服务端收到 RST 报文后就会释放连接。
  • 用 Challenge ACK 里的序列号伪造 RST 报文发送给客户端,客户端收到 RST 也会释放连接。

正是通过这样的方式,成功将一个 TCP 连接关闭了!

这里给大家贴一个使用 killcx 工具关闭连接的抓包图,大家多看看序列号和确认号的变化。

所以,以后抓包中,如果莫名奇妙出现一个 SYN 包,有可能对方接下来想要对你发起的 RST 攻击,直接将你的 TCP 连接断开!

怎么样,很巧妙吧!

# tcpkill 的工具

除了 killcx 工具能关闭 TCP 连接,还有 tcpkill 工具也可以做到。

这两个工具都是通过伪造 RST 报文来关闭指定的 TCP 连接,但是它们拿到正确的序列号的实现方式是不同的。

  • tcpkill 工具是在双方进行 TCP 通信时,拿到对方下一次期望收到的序列号,然后将序列号填充到伪造的 RST 报文,并将其发送给对方,达到关闭 TCP 连接的效果。
  • killcx 工具是主动发送一个 SYN 报文,对方收到后会回复一个携带了正确序列号和确认号的 ACK 报文,这个 ACK 被称之为 Challenge ACK,这时就可以拿到对方下一次期望收到的序列号,然后将序列号填充到伪造的 RST 报文,并将其发送给对方,达到关闭 TCP 连接的效果。

可以看到, 这两个工具在获取对方下一次期望收到的序列号的方式是不同的。

tcpkill 工具属于被动获取,就是在双方进行 TCP 通信的时候,才能获取到正确的序列号,很显然这种方式无法关闭非活跃的 TCP 连接,只能用于关闭活跃的 TCP 连接。因为如果这条 TCP 连接一直没有任何数据传输,则就永远获取不到正确的序列号。

killcx 工具则是属于主动获取,它是主动发送一个 SYN 报文,通过对方回复的 Challenge ACK 来获取正确的序列号,所以这种方式无论 TCP 连接是否活跃,都可以关闭

接下来,我就用这 tcpkill 工具来做个实验。

在这里, 我用 nc 工具来模拟一个 TCP 服务端,监听 8888 端口。

接着,在客户端机子上,用 nc 工具模拟一个 TCP 客户端,连接我们刚才启动的服务端,并且指定了客户端的端口为 11111。

这时候, 服务端就可以看到这条 TCP 连接了。

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注意,我这台服务端的公网 IP 地址是 121.43.173.240,私网 IP 地址是 172.19.11.21,在服务端通过 netstat 命令查看 TCP 连接的时候,则会将服务端的地址显示成私网 IP 地址 。至此,我们前期工作就做好了。

接下来,我们在服务端执行 tcpkill 工具,来关闭这条 TCP 连接,看看会发生什么?

在这里,我指定了要关闭的客户端 IP 为 114.132.166.90 和端口为 11111 的 TCP 连接。

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可以看到,tcpkill 工具阻塞中,没有任何输出,而且此时的 TCP 连接还是存在的,并没有被干掉。

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为什么 TCP 连接没用被干掉?

因为在执行 tcpkill 工具后,这条 TCP 连接并没有传输任何数据,而 tcpkill 工具是需要拦截双方的 TCP 通信,才能获取到正确的序列号,从而才能伪装出正确的序列号的 RST 报文。

所以,从这里也说明了,tcpkill 工具不适合关闭非活跃的 TCP 连接

接下来,我们尝试在客户端发送一个数据。

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可以看到,在发送了「hi」数据后,客户端就断开了,并且错误提示连接被对方关闭了。

此时,服务端已经查看不到刚才那条 TCP 连接了。

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然后,我们在服务端看看 tcpkill 工具输出的信息。

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可以看到, tcpkill 工具给服务端和客户端都发送了伪造的 RST 报文,从而达到关闭一条 TCP 连接的效果

到这里我们知道了, 运行 tcpkill 工具后,只有目标连接有新 TCP 包发送/接收的时候,才能关闭一条 TCP 连接。因此,tcpkill 只适合关闭活跃的 TCP 连接,不适合用来关闭非活跃的 TCP 连接

上面的实验过程,我也抓了数据包,流程如下:

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最后一个 RST 报文就是 tcpkill 工具伪造的 RST 报文。

# 总结

要伪造一个能关闭 TCP 连接的 RST 报文,必须同时满足「四元组相同」和「序列号是对方期望的」这两个条件。

今天给大家介绍了两种关闭 TCP 连接的工具:tcpkill 和 killcx 工具。

这两种工具都是通过伪造 RST 报文来关闭 TCP 连接的,但是它们获取「对方下一次期望收到的序列号的方式是不同的,也正因此,造就了这两个工具的应用场景有区别。

  • tcpkill 工具只能用来关闭活跃的 TCP 连接,无法关闭非活跃的 TCP 连接,因为 tcpkill 工具是等双方进行 TCP 通信后,才去获取正确的序列号,如果这条 TCP 连接一直没有任何数据传输,则就永远获取不到正确的序列号。
  • killcx 工具可以用来关闭活跃和非活跃的 TCP 连接,因为 killcx 工具是主动发送 SYN 报文,这时对方就会回复 Challenge ACK ,然后 killcx 工具就能从这个 ACK 获取到正确的序列号。

完!


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上次更新: 1/20/2023, 9:42:55 AM