聊聊 IP packet 的 TTL 与 tcp segment 的 MSL

1 前言 - 网络知识的重要性

近几年在排查解决应用系统在客户现场遇到的复杂问题时，越来越觉得除了扎实的LINUX操作系统知识，对TCP/IP网络知识的深入理解也是至关重要的。

有鉴于此，后续笔者会陆续分享一些网络基础知识和故障排查案例，有兴趣的可以深入交流下。

本文介绍下 IP packet 的 TTL 与TCP segment 的 MSL，两者都跟数据包在网络上的生存时间有关。

2 IP packet 的 TTL

IP 数据报头部中有个 TTL 字段，TTL 是 time to live 的缩写，即生存时间，不过其单位不是秒或分钟等具体时间，而是代表一个 IP数据报可以经过的最大路由数，IP数据报每经过一个路由器，它的值就减1，当此值为0时该数据报就会被丢弃，同时发送ICMP报文通知源主机。TTL的初始值是由发送该数据报的源主机设置的，不同操作系统 TTL 的初始值可能不同，比如 Windows 的TTL的初始值是128,而Linux的TTL初始值大多是64。

有没有办法查看 TTL 呢？可以通过tcpdump或wireshark等抓包工具查看某个具体数据报的TTL:事实上有经验的同学，可以根据数据包的TTL，推测这批数据包的捕获点是客户端服务端还是中间端。（后续有机会再总结下）。

3 TCP segment 的 MSL

MSL 是 Maximum Segment Lifetime 的英文缩写，可译为“报文最大生存时间/最长报文段寿命”，它是任何 TCP segment在网络上存在的最长时间，超过这个时间该报文就会被丢弃，也就是说任何 TCP Segment在网络上的存活时间都不会超过MSL.

RFC793定义了MSL为2分钟，但这完全是从工程上来考虑，对于现在的网络，MSL=2 分钟可能太长了一些,因此不同的TCP实现可以根据具体情况配置使用更小的MSL。

那么如何查看MSL的值呢？在LINUX中事实上并没有直接配置 MSL而是配置了 tcp_fin_timeout，由于 tcp_fin_timeout=2MSL，所以我们可以查看tcp_fin_timeout并据此推断MSL:

### 查看 tcp_fin_timeout
sysctl net.ipv4.tcp_fin_timeout 
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time 
### 修改 tcp_fin_timeout
sysctl -w net.ipv4.tcp_fin_timeout=30  
或编辑 /etc/sysctl.conf

如上图可见，LINUX中默认 net.ipv4.tcp_fin_timeout 的值是60s,所以MSL默认是30s.

事实上，通过命令 ss -no state time-wait 就能看到处于 time-wait状态的tcp连接，并能看到其剩余的超时时间：

所以概括起来，IP 的 TTL 与 TCP 的 MSL，两者都跟数据包在网络上的传输与生存时间有关，两者不能直接在数值上对比大小，但在效果上MSL要大于TTL。

4 TCP 四次挥手的状态转移与 MSL

下面我们来看几张TCP四次挥手释放连接的图示：

从上图可以看到，在TCP连接释放的过程中，从 TIME_WAIT状态到CLOSED 状态有一个超时设置，这个超时设置是2MSL（RFC793定义MSL为2分钟）。

那么为什么在 TIME_WAIT 后必须等待2MSL时间呢？主要原因有两点：

• 为了保证客户端（我们记为A端）发送的最后一个ACK报文段能够到达服务器端：这个ACK报文段在网络传输过程中有可能丢失，从而使处在LASK—ACK状态的服务端（我们记为B端）收不到对已发送的FIN报文段的回包，此时B会超时重传这个FIN报文段，而A就能在2MSL时间内收到这个重传的FIN报文段，接着A重传一次确认，重新启动2MSL计时器。最后，A和B都正常进入到CLOSED状态。如果A在TIME_WAIT状态不等待一段时间，而是在发送完ACK确认后立即释放连接，那么就无法收到B重传的FIN报文段，因而也不会再发送一次确认报文段，这样，B就无法正常进入CLOSED状态。
• 假如A发送的第一个请求连接报文段丢失而未收到确认，A就会重传一次连接请求，后来B收到了确认，建立了连接，数据传输完毕后，就释放了连接。这种情况下A共发送了两个连接请求报文段，其中第一个丢失，第二个到达了B。假如现在A发送的第一个连接请求报文段没有丢失，而是在某些网络节点长时间滞留了，以至于延误到连接释放后的某个时间才到达B，这本来是已失效的报文段，但B并不知道，就会又建立一次连接。而等待的这2MSL就是为了解决这个问题的，A在发送完最后一个确认报后再经过时间2MSL，就可以使本链接持续时间内所产生的所有报文段都从网络中消失，这样就可以使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。

由于从 TIME_WAIT状态到 CLOSED 状态有一个2MSL的超时等待时间，该时间内如果有其它新建的连接尝试使用同样的端口，就会报端口不可用的错误，比如笔者在折腾 apache kyuubi时就遇到了如下错误：

5 网络相关资料推荐

为了深入了解网络知识并掌握网络故障的排查，笔者阅读了大量资料，一些比较推荐的资料如下：

• 《TCP_IP 详解卷1：协议》，经典无需多言，笔者收藏了英文第二版的原版，时不时翻出来阅读下；
• 《TCP_IP 详解卷2：实现》，经典无需多言，推荐英文原版；
• 《图解TCP IP(第5版)》，(日)竹下隆史老师所著，也很不错；
• 《Wireshark网络分析的艺术》，林沛满老师的书籍，以现实故障案例讲知识，诙谐易懂；
• 《Wireshark网络分析就这么简单》，林沛满老师的书籍，以现实故障案例讲知识，诙谐易懂；
• 《Network Analysis using Wireshark2 CookBook》,讲解网鲨工具的使用，推荐；
• 历年 SharkFest 的精彩分享，可以在油管上看,笔者重点看了近三年的视频。