网络问题定位方法

2020-12-05 本文已影响0人小孩真笨

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运维中有个词叫根故障定位，实际生产中很多异常的根故障最后都会定位到网络这一层。下面以Broken Pipe为例，简述一下如何进行网络问题的定位。

1. 定位思路

第一眼看异常栈直译过来就是管道破裂，为什么会出现管道破裂呢？这篇文章就由此而来，背后牵涉的是我们常常挂在嘴边，面试也经常被问的http 和 tcp 协议的知识，这里埋个伏笔，后面我们由浅入深，慢慢把这个问题解决，同时了解如何运用网络知识解决实际网络问题。

2. 开始抓包

遇到网络问题，自然而然会想到使用tcpdump进行抓包，看看传输过程到底发生了什么。抓包命令如下：

tcpdump tcp port 20004 and host  **.**.com -w brokenpipe.cap

这条命令监听20004端口，把所有的主机和域名都抓下来，保存到brokenpipe.cap文件中。

常用的tcpdump命令 tcpdump tcp port 端口号 and host 域名 -w 保存文件

3. 在Wireshark数据包中看三次握手

如果没有用过Wireshark 做过网络包分析的，担心直接上来就看包分析有点费劲，下面会对wireshark 先做个简单的介绍。

3.1 Wireshark 简介

首先，把抓下来的包文件存在本地，打开wireshark 导入网络包，开始有趣的网络漫游之旅。

wireshark 是一款非常流行的网络包分析工具，经常是网络工程师/后端工程师用来分析网络包，解决网络问题的利器。先放一张图出来闻闻味：

截了一张自己本机装的 wireshark 软件，分为四个部分：

顶部是菜单栏
浅绿色背景是过滤器，这个对于分析包很重要，后面会讲
列表那一栏是包列表信息
最下面的这个是包详细信息，包含各层协议的内容（应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层）

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3.2 Wireshark 过滤器

过滤器单独拿出来说下，因为确实很有用，后面异常分析会用到。

你导入的包可能内容很多，需要使用过滤器筛选一下，过滤器很多种过滤的规则，我列举一下常用的几种：

协议过滤

如果抓的包有很多种协议类型，可以输入 tcp 回车只看tcp 协议的包

IP 过滤

例如 ip.src == 192.168.1.23 （过滤发起地址ip）ip.dst == 12.8.0.1（过滤目标地址ip） ip == 12.0.0.1（过滤源或目的地址）

端口过滤

tcp.port == 4980 ，还可以 tcp.port == 4542 or tcp.port == 4528 加入表达式 and、or、in 等等

例如：tcp.port in {80 443 8080}

HTTP 模式过滤

http.request.method == "GET" 或者 http.request.method == "POST"

报文内容过滤

tcp.segment_data contains "202005190001" 过滤tcp 报文内容包括 202005190001 的报文

更多wireshark 过滤器可以参考：wireshark-filter

wireshark 的详细使用教程不是今天的重点，就介绍这二部分，后面分析数据包时会穿插着讲，觉得大家有兴趣可以自己抽空玩一玩这个软件。

3.3 三次握手初探

写的三次握手初探这部分如果看不懂没关系，这里是为了介绍Wireshark写的三次握手，后面会详细解释，详细到直接从网络协议分层开始讲起，如果你这看不懂可以Diss 。 [图片上传失败...(image-85572e-1591322222101)]

如果第一次看Wireshark 网络包，会一脸懵逼，看多了就会越看越喜欢。重点看框出来的，前三行就是三次握手的过程：

上图第一行，客户端向服务端发送SYN 数据包，数据长度len 为0，Seq（随机生成包序列号）为2421858999；
上图第二行，服务端向客户端回应ACK 数据包，并且发送SYN 数据包，合并一起就是SYN + ACK 数据包，数据长度len 为0，Seq（随机生成包序列号）为1988635269，ack为2421859000 = 第一次握手Seq（2421858999）+1；
上图第三行，客户端回应客户端的SYN 数据包，发送ACK 确认数据包，Seq 为二次握手的ack（2421859000），ack为 1988635270= 二次握手的seq（1988635269）+1；

4. 回顾网络协议分层、三次握手、四次挥手等网络基础知识

4.1 网络协议分层

在解决文章开头的异常，分析数据包之前，我们需要一些预备知识，需要一丢丢基础的网络知识。

首先在直接看Wireshark 的包信息之前，需要来回顾一下计算机网络的知识，大家知道目前主流使用的TCP/IP 五层协议，而不是国际标准化组织（ISO）出的OSI（Open System Interconnection）七层协议。TCP/IP协议栈如下图所示： [图片上传失败...(image-b176c-1591322222101)]

我们可以看到Wireshark 包详情就是TCP/IP 五层的信息，对比上面的图从下往上看（取每个英文单词首字母就是协议简称，例如 HTTP：Hypertext Transfer Protocol ），如下：

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后面我们看 Wireshark 数据报文时，主要看TCP 所在的传输层报文。

4.2 三次握手

首先我们先看下TCP 报文的报文格式： [图片上传失败...(image-cea1fa-1591322222101)]

下面把TCP 报文的各个部分做了详细说明，分析网络问题不用全看，把加重的部分关注一下就可以了。好学的玩家可以把所有的都看了，不用记，有个概念就可以了。

源端口号和目的端口号：各占2个字节（16位），分别写入源端口和目的端口；
序号：4字节（32位），TCP连接中字节流每个字节都按顺序编号，这个序号用于标识这个报文段。例如：一段报文序号seq 是201，而报文数据长度为100，下一个报文段的数据序号应该为301（201+100）。
确认号：4字节（32位），期望收到对方下一个报文的序号。这个确认号是和序号seq 有点关系的，不要和ACK（状态标志位）混淆了。
首部长度：4位，表示报文数据距离报文起始位置的长度。保留：保留今后可以会用到。
数据报状态标志位（非常重要），分为以下6种，二进制1 位表示一种（1代表开启 0 关闭）
URG：URG=1 代表报文有紧急数据
ACK：ACK = 1，确认位，TCP中连接建立后，所有报文的ACK 位置都为1；
PSH: 发送端和接收端都有缓冲区（发送端：写缓冲区接收端：读缓冲区）对于发送端：带PSH=1，报文会立即从缓冲区报文推送给服务端对于服务端：服务端立即将读缓冲区内容推给进程。
RST：RST=1，代表连接出现严重错误，TCP连接的一方将连接重置了，必须释放连接，重新建立连接；
SYN：同步SYN，在连接建立时用来同步序号。三次握手时会用到，当SYN=1，ACK =0，表明是发起方请求建立连接，服务方同意建立连接，响应报文SYN=1，ACK =1，前者表明同步连接，后者是确认报文。
FIN：用来释放连接。当FIN =1，表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并且要求释放。
窗口：占2字节，通常用于告知对方自己的能够接受的数据量大小。窗口本质就是一个缓冲区buffer，该字段的值用于告知对方自己剩余的可用缓冲区大小。
校验和：奇偶校验，此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。
紧急指针：只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和顺序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。
选项：可选的。最常见的可选字段是最长报文大小，又称MSS(Maxinum Segment Size), 每个连接方通常在通信的第一个报文段（连接建立的SYN标志位为1的数据报文）设置这个选项，表示本端能接受的最大报文段的长度。因为长度不一定是32的整数倍，因此要加额外的0作为填充。
数据部分：可选的。连接建立和终止时，报文段只有TCP首部。

我们先回顾一下以前计算机网络课堂上学过的TCP传输的三次握手流程： [图片上传失败...(image-aac3c1-1591322222101)]

[图片上传失败...(image-60f60b-1591322222101)]

三次握手的具体过程如下：

服务端(接收方)进程启动，准备接收客户端进程的连接请求，此时接收方进入LISTEN（监听）模式；
三次握手第一步：客户端向服务端发出连接请求报文，这时报文首部SYN 标志位为1，同时设置一个初始序列号seq = x（随机数）; 做完这步动作，发送方进入SYN_SENT (同步已发送状态) 。

名称解释：SYN：同步标志位 seq：包序列编号(每个包都有一个序列号) 第一次握手客户端发送的报文称为同步请求报文，希望与服务端建立同步连接，SYN报文不携带数据。
三次握手第二步：服务端收到来自客户端的连接请求报文后，需要确认收货，响应报文中ACK（确认标志位）设置为1，将确认号ack 设置为第一步的请求序列号seq 加1（ack =x+1），另外自己也回客户端一个SYN包（可以建立同步连接），即SYN + ACK包，包序列号seq = y，服务端进入SYN_RCVD（同步收到）状态。

名词解释：ACK：确认状态位（这里ACK=1），这个一定和ack（32位确认序号，这里ack=x+1）区分开，可以看下面的TCP 报文结构体图，ACK是包的状态标志，ack是确认序号。
三次握手第三步：客户端收到来自服务端的 SYN + ACK 包，会发送一个ACK 确认包，ACK =1，seq = x+1( 第二步的ack)，ack = y+1（第二步的seq+1）。

4.3 四次挥手

四次挥手的状态图如下所示： [图片上传失败...(image-1e7837-1591322222101)]

四次挥手wireshark 包信息如下，可以对照着上图看 [图片上传失败...(image-a50345-1591322222101)]

四次挥手的具体过程如下：

客户端发送FIN 释放连接报文，表示结束连接，报文seq = u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN_WAIT1（终止等待1）状态。

服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE_WAIT（关闭等待）状态。TCP接收方通知上层的应用进程，客户端向服务器方向的发送通道关闭了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了（已经发了FIN结束信号），但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态要持续一段时间，也就是整个CLOSE_WAIT状态持续的时间。

客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN_WAIT2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在服务端Close_Wiat期间还可以接受服务器发送的最后的数据）。

服务端发送完最后的数据，向客户端发送FIN 连接释放报文，ACK =1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，ack 和回复ACK报文一致，ack = u+1, 此时，服务器就进入了LAST_ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。

客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME_WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2 个MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。

服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。