TCP Analysis Flags 之 TCP Out-Of-Order

7ACE2024-12-28 14:35

前言

默认情况下，Wireshark 的 TCP 解析器会跟踪每个 TCP 会话的状态，并在检测到问题或潜在问题时提供额外的信息。在第一次打开捕获文件时，会对每个 TCP 数据包进行一次分析，数据包按照它们在数据包列表中出现的顺序进行处理。可以通过 "Analyze TCP sequence numbers" TCP 解析首选项启用或禁用此功能。

TCP 分析展示

在数据包文件中进行 TCP 分析时，关于 "TCP Out-Of-Order" 一般是如下显示的，包括：

  1. Packet List 窗口中的 Info 信息列，以 [TCP Out-Of-Order] 黑底红字进行标注；
  2. Packet Details 窗口中的 TCP 协议树下，在 [SEQ/ACK analysis] -> [TCP Analysis Flags] 中定义该 TCP 数据包的分析说明。

考虑到 TCP 乱序、重传场景的复杂性，专家信息在乱序的判断上，前面都会有一个(suspected)，表示疑似，说明并不是百分百正确，属于 Warning 级别。

TCP Out-Of-Order 定义

文档中关于 TCP Out-Of-Order 的定义看起来简单，但实际考虑到 TCP 乱序、重传场景的复杂性，在 TCP 分析中对于 TCP Out-Of-Order 是与 TCP Spurious Retransmission、TCP Fast Retransmission、TCP Retransmission 等在一起判断标记乱序或重传类型，而在不少场景还会有判断出错的问题，当然 Wireshark 考虑到这种情况，也有手动修正的选项，这正好也侧面证明了上面的说法，关于 TCP 乱序、重传的复杂性。

TCP Out-Of-Order 的定义如下，当以下所有条件都为真时设置：

  • 不是 Keep-Alive 数据包
  • TCP 段大小大于零或设置了 SYN/FIN
  • 同方向之前下一个期望的 Seq Num 大于当前数据包的 Seq Num
  • 同方向之前下一个期望的 Seq Num 和当前数据包的 Next Seq Num 不同
  • 最后一个报文段到达的时间在乱序 RTT 阈值内。这个阈值可以是两种情况之一：1). 如果在"SEQ/ACK 分析"下存在 "IRTT"（tcp.analysis.initial_rtt）字段，则使用该值作为阈值。2).如果不存在，则使用默认值 3 毫秒作为阈值。

替代 Retransmission。

plain 复制代码 
Set when all of the following are true:

This is not a keepalive packet.
In the forward direction, the segment length is greater than zero or the SYN or FIN is set.
The next expected sequence number is greater than the current sequence number.
The next expected sequence number and the next sequence number differ.
The last segment arrived within the Out-Of-Order RTT threshold. The threshold is either the value shown in the "iRTT" (tcp.analysis.initial_rtt) field under "SEQ/ACK analysis" if it is present, or the default value of 3ms if it is not.

Supersedes "Retransmission".

具体的代码如下，总的来说这段代码是 Wireshark 中 TCP 分析模块的一部分，用于检测和标识 TCP 数据包中的各种重传/乱序类型。它的主要功能是根据当前数据包的序列号、长度、标志位以及之前收到的 TCP 数据包的信息，判断当前数据包是否属于重传/乱序，如果是则进一步确定它属于哪种重传/乱序类型。

根据分析 TCP 数据包的各种特征，对重传/乱序数据包进行分类，有助于更好地理解 TCP 连接中的重传/乱序行为，对于诊断网络问题很有帮助。这段代码的主要逻辑如下，如果所有下述条件均满足，则认为该数据包是一个乱序包（详见 case FALSE 部分）。

首先判断：

  • 检查 seq_not_advanced，序列号是否未递增；
  • 检查数据包到达的时间是否在设定的阈值内（IRTT 或 3ms）；
  • 检查数据包之前是否未被看到；

继续判断：

  • 如果同方向之前下一个期望的 Seq Num 不等于当前数据包 Seq Num + Len + 1（SYN|FIN）/0，则标记为乱序；
  • 否则，如果同方向之前 LastACK 的段长度为 0（可能是纯ACK），也标记为乱序，这处理了一系列乱序包被纯 ACK 分隔的情况。
plain 复制代码 
    /* RETRANSMISSION/FAST RETRANSMISSION/OUT-OF-ORDER
     * If the segment contains data (or is a SYN or a FIN) and
     * if it does not advance the sequence number, it must be one
     * of these three.
     * Only test for this if we know what the seq number should be
     * (tcpd->fwd->nextseq)
     *
     * Note that a simple KeepAlive is not a retransmission
     */
    if (seglen>0 || flags&(TH_SYN|TH_FIN)) {
        gboolean seq_not_advanced = tcpd->fwd->tcp_analyze_seq_info->nextseq
                && (LT_SEQ(seq, tcpd->fwd->tcp_analyze_seq_info->nextseq));

        guint64 t;
        guint64 ooo_thres;

        if(tcpd->ta && (tcpd->ta->flags&TCP_A_KEEP_ALIVE) ) {
            goto finished_checking_retransmission_type;
        }

        /* This segment is *not* considered a retransmission/out-of-order if
         *  the segment length is larger than one (it really adds new data)
         *  the sequence number is one less than the previous nextseq and
         *      (the previous segment is possibly a zero window probe)
         *
         * We should still try to flag Spurious Retransmissions though.
         */
        if (seglen > 1 && tcpd->fwd->tcp_analyze_seq_info->nextseq - 1 == seq) {
            seq_not_advanced = FALSE;
        }

        ...

        nextseq = seq+seglen;

        gboolean precedence_count = tcp_fastrt_precedence;
        do {
            switch(precedence_count) {
                case TRUE:
                    ...

                case FALSE:
                    /* If the segment came relatively close since the segment with the highest
                     * seen sequence number and it doesn't look like a retransmission
                     * then it is an OUT-OF-ORDER segment.
                     */
                    t=(pinfo->abs_ts.secs-tcpd->fwd->tcp_analyze_seq_info->nextseqtime.secs)*1000000000;
                    t=t+(pinfo->abs_ts.nsecs)-tcpd->fwd->tcp_analyze_seq_info->nextseqtime.nsecs;
                    if (tcpd->ts_first_rtt.nsecs == 0 && tcpd->ts_first_rtt.secs == 0) {
                        ooo_thres = 3000000;
                    } else {
                        ooo_thres = tcpd->ts_first_rtt.nsecs + tcpd->ts_first_rtt.secs*1000000000;
                    }

                    /* If the segment is already seen and waiting to be acknowledged, ignore the
                     * Fast-Retrans/OOO debate and go ahead, as it only can be an ordinary Retrans.
                     * Fast-Retrans/Retrans are never ambiguous in the context of packets seen but
                     * this code could be moved above.
                     * See Issues 13284, 13843
                     * XXX: if compared packets have different sizes, it's not handled yet
                     */
                    gboolean pk_already_seen = FALSE;
                    ual = tcpd->fwd->tcp_analyze_seq_info->segments;
                    while(ual) {
                        if(GE_SEQ(seq,ual->seq) && LE_SEQ(seq+seglen,ual->nextseq)) {
                            pk_already_seen = TRUE;
                            break;
                        }
                        ual=ual->next;
                    }

                    if(seq_not_advanced && t < ooo_thres && !pk_already_seen) {
                        /* ordinary OOO with SEQ numbers and lengths clearly stating the situation */
                        if( tcpd->fwd->tcp_analyze_seq_info->nextseq != (seq + seglen + (flags&(TH_SYN|TH_FIN) ? 1 : 0))) {
                            if(!tcpd->ta) {
                                tcp_analyze_get_acked_struct(pinfo->num, seq, ack, TRUE, tcpd);
                            }

                            tcpd->ta->flags|=TCP_A_OUT_OF_ORDER;
                            goto finished_checking_retransmission_type;
                        }
                        else {
                            /* facing an OOO closing a series of disordered packets,
                               all preceded by a pure ACK. See issue 17214 */
                            if(tcpd->fwd->tcp_analyze_seq_info->lastacklen == 0) {
                                if(!tcpd->ta) {
                                    tcp_analyze_get_acked_struct(pinfo->num, seq, ack, TRUE, tcpd);
                                }

                                tcpd->ta->flags|=TCP_A_OUT_OF_ORDER;
                                goto finished_checking_retransmission_type;
                            }
                        }
                    }
                    precedence_count=!precedence_count;
                    break;
            }
        } while (precedence_count!=tcp_fastrt_precedence) ;

...

finished_checking_retransmission_type:
  1. next expected sequence number，为 nextseq，定义为 highest seen nextseq。
  2. lastack，定义为 Last seen ack for the reverse flow。
  3. lastacklen，定义为 length of the last fwd ACK packet - 0 means pure ACK。

Packetdrill 示例

根据上述 TCP Out-Of-Order 定义和代码说明，通过 packetdrill 模拟连续传入数据分段，但顺序颠倒了一个，满足乱序的判断条件后，会标记成 TCP 乱序数据包。

plain 复制代码 
# cat tcp_out_of_order_01.pkt 
0   socket(..., SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP) = 3
+0  setsockopt(3, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, [1], 4) = 0
+0  bind(3, ..., ...) = 0
+0  listen(3, 1) = 0

+0 < S 0:0(0) win 16000 <mss 1460>
+0 > S. 0:0(0) ack 1 <...>
+0.01 < . 1:1(0) ack 1 win 16000

+0 accept(3, ..., ...) = 4
+0 < P. 1:21(20) ack 1 win 15000
+0.001 < P. 41:61(20) ack 1 win 15000
+0.001 < P. 21:41(20) ack 1 win 15000
#

经 Wireshark 展示如下，可以看到满足判断条件后，No.8 标识 [TCP Out-Of-Order] ，是因为客户端发送的数据分段 No.6 Seq Num 41 和 No.4 Next Seq Num 21 之间缺少了一个长度为 20 字节的数据分段，No.6 标识为 [TCP Previous segment not captured] ，而 No.7 标识为 [TCP Dup ACK] ，紧接着之后的 No.8 Seq Num 21 + Len 20 数据包，标识为 [TCP Out-Of-Order]。

在这里再验证下，数据包到达的时间如果不在设定的阈值内，也就是 11ms 大于 IRTT 10ms，是否会被标记成乱序数据包。

plain 复制代码 
# cat tcp_out_of_order_02.pkt 
0   socket(..., SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP) = 3
+0  setsockopt(3, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, [1], 4) = 0
+0  bind(3, ..., ...) = 0
+0  listen(3, 1) = 0

+0 < S 0:0(0) win 16000 <mss 1460>
+0 > S. 0:0(0) ack 1 <...>
+0.01 < . 1:1(0) ack 1 win 16000

+0 accept(3, ..., ...) = 4
+0 < P. 1:21(20) ack 1 win 15000
+0.001 < P. 41:61(20) ack 1 win 15000
+0.011 < P. 21:41(20) ack 1 win 15000
#

答案是不会，不满足乱序数据包条件，被标记成了重传数据包。

实例

关于 TCP Out-Of-Order 的实例，实际日常抓包中经常会看到，是比较常见的一种 TCP 分析信息，而在各类场景中，也会伴生着出现像是 TCP Dup ACK 、TCP Previous segment not captured 等信息。

  1. 标准 TCP 乱序

标准的 TCP 乱序场景，No.119 和 No.120 中间缺失一个 Seq 237 + Len 207 的数据分段，No.120 首先会提示 [TCP Previous segment not captured]，之后 No.122 Seq 237 + Len 207 的数据包到来，满足乱序数据包的判断条件，标记成 [TCP Out-Of-Order] 。

也可以使用 ip.id 加以佐证，如下，No.122 IP ID 15284，实际上是在 No.119 15283 和 No.120 15286 之间，说明就是乱序数据包。

ip.id 辅助的方式非标准实现，多数场景下可用，但不是所有场景都适合。

  1. TCP 乱序（纯 ACK）

代码中描述的一系列乱序包被纯 ACK 分隔的场景，其中 No.13 为纯 ACK，No.15 为乱序的第一个数据包，它满足判断乱序代码中继续判断的第一种场景，nextseq != (seq + seglen)，因此被标记为 [TCP Out-Of-Order] ，而 No.19 为乱序的第二个数据包，它满足判断乱序代码中继续判断的第二种场景，lastacklen = 0，因为 No.13 为纯 ACK，所以 No.19 也被标记为 [TCP Out-Of-Order]。

  1. TCP 快速重传还是 TCP 乱序

TCP 快速重传和乱序混淆，这似乎在目前的 Wireshark 版本中是经常可以看到的一种场景，如下案例：

  1. 服务器所发的数据包 No.20 前丢了一个 TCP 分段 Seq 9577 ，所以 No.20 标记为 TCP Previous segment not captured ；
  2. 客户端回应第一个 No.21 DUP ACK 确认还要 Seq 9577 分段（原 ACK 在 No.19）；
  3. 服务器下一个数据包 No.22 仍不是 TCP 分段 Seq 9577；
  4. 因此客户端回应第二个 No.23 DUP ACK 确认继续要 Seq 9577 分段；
  5. 此时服务器像是因为 DUP ACK 的原因触发了快速重传，发送了 No.24 Seq 9577 数据包。

Wireshark 在此判断 No.24 为快速重传感觉确实合情合理，因为包括 DUP ACK >=2 等条件综合判断为真时就会认为是快速重传。但是细细一琢磨，会发现里面有些问题：IRTT，IRTT 为 0.103362s ，说明客户端和服务器端 RTT 约为 103ms，如果捕获点在客户端，No.24 和 No.23 之间的时间差值仅为 71ns。试问从客户端发出 No.23 到服务器收到 No.23 之后触发快速重传，再到客户端所捕获，这个 71ns 的时间完全不符合现实。

此时通过 IP.ID 加以佐证，No.24 的 IP ID 为 49749 ，在 No.20 和 No.22 之前，因此 No.24 实际上是乱序，而不是快速重传。

总结

考虑到数据包会出现乱序、重传等各类不同的场景，产生 TCP Out-Of-Order 的情形自然也是五花八门，具体问题具体分析。

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