答疑（二）| 第6~10讲思考题答案
你好，我是胜辉。
在上一节答疑课里，我们回顾了第1到第5讲的思考题，分析了每道题目的解题思路，当然更重要的是对这五节课的知识点做了一次复习和补充。你看完了这些解答后的感觉如何呢？跟之前你自己的思考过程和结论相比，又有哪些相同和不同之处呢？相信通过再一次的思考，你对知识的掌握将会更加深刻。
那么这节课，我们就继续讲解这些课后的思考题。先从第6讲开始。
06讲的答疑
思考题
这节课，我给你介绍了利用防火墙的TTL跟原先的正常报文的TTL不一致的特点，从而识别出防火墙的方法。那么，假设有一天，防火墙公司把这个特性也完善了，我们再也不能仅凭TTL的突变而发现防火墙了，你觉得还有什么办法可以识别出防火墙吗？
答案
这是一个开放式的问题，其实并没有标准答案。不过，通过对这个问题的思考，我们可以对网络的理解更进一步。我们先参考下面这张图，复习一下用TTL判断防火墙的原理：
补充：上图是一个例子，假设防火墙是路径上的第5跳，那么防火墙自己发出的报文的TTL就比真正的发送端的TTL多了5。
然后想一想，我们之所以能通过TTL定位防火墙，本质原因是什么呢？实际上，本质原因就是这个IP报文是防火墙自己构造的，而在构造时TTL被设置为了初始值。
那么，还有哪些元信息也是在这个构造好的报文里呢？其实这些信息也可以帮我们辅助判断防火墙。
另外在IP层，除了TTL，还有一个字段也值得我们注意，它就是IP ID。这个字段占用了2个字节，所以它的最大值是2^16-1，也就是65535。IP ID一般是IP报文的发起端设置的，每次发包递增1，然后在0到65535之间循环使用。
它最主要的用途，是**接收端会根据这个ID来组装（assemble）同一组IP分片（fragments），**而中间设备（交换机、路由器）不会改动IP ID。并且在防火墙构造RST报文的时候，IP包的TTL和ID值也是防火墙自己设置的，也就有可能被我们用来发现防火墙。所以，如果SYN+ACK和RST的IP ID不连续，我们就可以判断出防火墙，也就是下图这样：
不过，我在探究这个可能性的时候，又遇到了新的问题。要知道，Linux系统发送SYN+ACK的时候，IP ID一定是0，但是我既在Wireshark里看到了这个现象，也在内核代码里证实了这一点。而这就给我们利用IP ID带来了障碍：因为即使RST真的是对端发出的，两个报文的IP ID也会不同。
只有当我们收到至少三个报文，也就是除了SYN+ACK和RST之外，我们还需要在中间收到一些报文，才可以对比RST跟中间报文的IP ID的差别，然后进行判断。
所以，利用IP ID的方法，对于TCP握手后就发生RST的情况并不适用，但对于交互过程中发生RST的情况应该是适用的。你有机会也可以在遇到RST时，来抓包验证一下。
07讲的答疑
思考题
- tcp.payload eq abc，这个过滤器可以搜索到精确匹配“abc”字符串的报文。那么，如果是模糊匹配，比如只要包含“abc”的报文我都想搜到，这个过滤器又该如何写呢？
- 在工作中，你遇到过跟TCP Keep-alive相关的问题吗？你是怎么解决的呢？
答案
第一个问题，其实在上节答疑课里我也提到过，就是利用各层的 contains 动词来写过滤器。比如：
- 应用层可以是
http contains "abc"； - 传输层可以是
tcp contains "abc"； - 网络层可以是
ip contains "abc"； - 数据链路层可以是
frame contains "abc"。
这类过滤器的使用场景一般是这样的：我们知道应用层的某一个信息，比如HTTP报文里面的某个uuid，然后再通过这个信息，去找到对应的报文。
而在这里，又可以细分为两种不同的场景。
**第一种，某一个TCP连接在通信两端的报文的对应。**比如，客户端发出的HTTP报文里含有某个uuid，那么我们需要在服务端的抓包文件里，把这个TCP流过滤出来，就可以用上面说的那些过滤器。
**第二种，LB前后方两个不同TCP连接的报文的对应。**比如，LB会转发请求给后端多台服务器中的某一个，而这个选择一般是动态的，这就给我们的排查工作带来了不小的障碍。
那么这里可以参考的方法就是：在“客户端<->LB”这一侧的连接中，找到HTTP报文的某个uuid，然后在“LB<->多个后端IP”这一侧的抓包中，搜索这个uuid，就能得到同样是这个请求的相关报文了。
我们可以看看下面这个示意图：
也就是说，TCP流1和TCP流1'，还有TCP流2和TCP流2'，分别是同一个TCP流在连接两侧的不同体现。而由于流1和流2确实是完全不同的连接，无法用任何TCP报文头部的信息来进行匹配，所以只能用应用层的信息来找到对应关系。
第二个问题也是一个开放式的问题。我看到不少同学都分享了他们的经验，这也增加了我自己的见识，真是一件多赢的事。比如，@江山如画同学对这个问题的回复是这样的：
在工作中，我目前还没有碰到过和TCP Keep-alive有关的问题，不过我之前看一些建立网络隧道的软件里，有Keep-alive这个参数，查询说它和SNAT有关，就让我一直很迷惑。
今天学习了老师的课，我又去深究了下。原来Virtual Tunnel会建立虚拟网卡，它和物理网卡之间需要做流量的桥接，进而就需要做SNAT。然后SNAT会维护一个端口映射表，因为链接太多可能会占满本地端口，如果没有设置Keep-alive，那么在一段时间内都没有传输数据的话，就会把端口转换的记录给删掉，这时候通信双方想再通信就不行了。所以需要每隔一段时间发送心跳包，保证SNAT端口映射表中的记录不被删掉，从而保证连接存活。
这实际上就是一个很典型的场景，也就是NAT和TCP Keep-alive之间的关系。NAT是维护连接跟踪表的，里面的表项有一定的有效期，过了有效期的表项就会被清空。而TCP Keep-alive正好可以定期去刷新这个计时器，让它“永葆青春”，表项不被删除，这个连接就可以一直愉快地工作下去了。
类似地，@Geek_535c45同学也对TCP Keep-alive问题发出了灵魂的拷问：
Chrome每隔45秒发起TCP Keep-alive包的意义是什么呢？
其实答案也跟上面的解释差不多，Chrome每隔45秒的TCP Keep-alive，主要是起到下面这两个作用：
- 避免连接被中间环节给撤销掉。一般客户端是在内网里的，出公网的时候NAT会转换为公网IP跟对端通信。而跟上面的例子类似，为了保持NAT表项不被回收，所以Chrome要发送保活报文。
- 避免被服务端认为是无效连接给撤销掉。服务端一般也有idle timeout时间，也就是如果一个客户端连接超过一定时间没有报文传送，服务端就会取消这个连接，而且这时很可能不发送FIN或者RST，导致客户端对连接失效这个事情并不知情。因为服务端要面向公网上成千上万的访问者，所以它的逻辑是定时清除无效连接，以保证服务端的资源得到合理的使用。
08讲的答疑
思考题
- 在LB或者网关上修改MSS，虽然可以减小MSS，从而达到让通信成功这个目的，但是这个方案有没有什么劣势或者不足，也同样需要我们认真考量呢？你可以从运维和可用性的角度来思考。
- 你有没有遇到过MTU引发的问题呢？
答案
对于第一个问题，在LB或者网关上修改MSS，这当然起到了作用。从短期来看，也是很不错的临时方案。但是长期来看，一旦客户和自己发生人员流动，又缺乏文档记录，就很可能会引起问题。比如说，这个配置可能会被后来的人当作无用配置而清除，而到时候如果没有人了解这个上下文，显然就要花很多时间去排查，给双方带去的业务影响也不会小。
尽管这可能算是一个非技术问题，但是也会影响到自己团队和兄弟团队的工作体验。所以我们做运维工作，还有一个重要的原则：优先选择简洁又容易维护的方案，而不是复杂且不易维护的方案，避免给以后的运维工作埋下隐患。
所以，后来我们选择的长期方案还是在两端修改MTU，这样的话客户团队就很清楚自己机器上的配置，就有责任也有条件做好维护。
第二个问题，还是**@江山如画**同学，他分享了一个典型案例：
之前我们手动创建了虚拟网卡，和物理网卡之间做了流量的桥接，发现有些报文在这二者之间转发时会被丢掉。然后通过分析，我们发现虚拟网卡的MTU设置过大，并且报文DF位设置为了1，后来我们通过ifconfig命令把虚拟网卡的MTU改小，报文就可以正常转发了。
不用我做更多解释，你应该都很清楚这个场景里的技术细节了。这也是比较常见的情况，你掌握好以后应该也有机会运用到实际工作中，也就是说，如果遇到丢包的问题，你可以看看MTU的值是否超标了。这是一个比较合算的“投资”，就花几分钟查一下，也许真能解决一个原本要查几个小时的大问题。
09讲的答疑
思考题
你有没有在工作中遇到过TCP传输速度相关的问题呢？通过这节课的学习，你已经掌握了传输速度相关的不少知识，你准备怎么运用这些知识，来解决这个传输问题呢？
答案
我看到留言中有一个同学的回答是这样的：
我们公司之前有一个场景是多个客户端连接同一个服务端，如果某个客户端下载文件或上传文件，占用了大量的带宽，就会导致新的客户端连不上服务端。后来我们就在服务端使用tc工具做了流控，根据客户端个数来均分带宽，还有限制单个IP的最大使用带宽。
其实， tc的原理是调整qdisc发送缓存队列，超出队列的数据就丢弃，这样的话发送端就探测到了“拥塞”，进而会主动降速，从而也就达到了限制速度的效果。而“拥塞”这个知识点，又是我们在第11讲里深入探讨过的内容。其实从第9到13讲的内容都是关于传输的，所以我建议你可以把第9到13讲的内容结合起来学习，应该就能更加深入和全面地理解TCP传输这个重要话题了。
10讲的答疑
思考题
- TCP的序列号和确认号，最大可以到多少？
- 接收端只确认部分数据，导致了“数据滞留”现象，这个现象背后的原因可能是什么呢？
答案
第一个问题呢，其实是一个简单的协议规范的问题。这个知识点，你很容易就可以在RFC793里找到。TCP的序列号和确认号的长度都是4个字节，4个字节也就是32位，所以最大值是2^32-1，也就是4G。我也建议你记住这些小的知识点，因为它是在工作中高频使用的知识点，你能记住的话就不用去搜索了，可以提升工作的效率。
第二个问题就比较复杂了，而且因为当时的现场没有了，所以也没有标准答案。但是这个思考的过程对我们掌握这一讲的知识是很有帮助的，而且，我们其实还是可以大致推导出当时的情景。
我直接借用第10讲里面的一张示意图：
我也来简单描述一下这个过程。
- 在t1这个时间点，B通知A：“我的接收窗口是1000字节”。
- 在t2这个时间点，A收到了B的通知，然后发送了1000字节，此时这些都属于在途字节数。
- 在t3这个时间点，B收到了1000字节，此时接收窗口（缓冲区）全部用完，Wireshark据此判断出“Window Full”。然后B向A发送确认包，确认了300个字节。
- 在t4这个时间点，A收到B确认300个字节的确认包，于是判断出在途字节数是700字节，所以A能发的最多只有300字节。
我们再来看一下接收端的报文处理流程。如果我们把缓冲区（包括Ring Buffer和Recieve Buffer）比作水池，那么报文进入缓冲区，就相当于有水龙头往里注水；应用程序到缓冲区取走数据，又相当于有水龙头放出水。这两个水龙头的速度的不同，就造成了缓冲区的动态调整。
那么，发生数据“滞留”，其实就相当于水池中一直囤着水，也就是“放水速度不够”，应用程序没有把数据都及时读取走导致的。
显然，比较理想的情况是放水的速度大于等于注水的速度，这是传输速度最快的方式。
但是，我们也要认识到，操作系统设立缓冲区的一大原因，就是考虑到“注水”和“放水”的速度本来就是经常不相等的，所以用缓冲区这个“空间”，来抵消速度不同导致的“时间”上的矛盾。简单来说就是“用空间换时间”。而且，不仅是网络接收和发送的缓冲区如此，大部分缓冲区也都是“用空间换时间”原则的体现。
所以通过这个思考，你对TCP的缓冲区等概念，是否也有了新的认识了呢？
好了，今天的答疑就到这里。如果你还有什么疑问，同样可以回复到留言区，我们一同进步、成长。