TCP simultaneous open测试

山有木兮啊

已于 2024-10-27 16:19:19 修改

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文章标签： tcp/ip 网络 c++ linux

于 2024-10-25 18:19:08 首次发布

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源代码

/*************************************************************************
    > File Name: common.h
    > Author: hsz
    > Brief:
    > Created Time: 2024年10月23日 星期三 09时47分51秒
 ************************************************************************/

#pragma once

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

#include <memory>

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

struct PeerMessage
{
    uint16_t    is_server;
    char        host[32];
    uint16_t    port;
};

auto size = sizeof(PeerMessage);

bool ReusePortAddr(int32_t sock, int32_t reuse = 1)
{
    if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, (char*)&reuse, sizeof(reuse))) {
        perror("setsockopt(SO_REUSEPORT) error");
        return false;
    }

    if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char*)&reuse, sizeof(reuse))) {
        perror("setsockopt(SO_REUSEPORT) error");
        return false;
    }

    return true;
}

bool TimeoutConnect(int32_t sockfd, sockaddr_in addr, uint32_t timeoutMS)
{
    int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
    if (fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) < 0) {
        perror("fcntl error");
    }

    std::shared_ptr<void>(nullptr, [&](void *) {
        // 恢复套接字为阻塞模式
        fcntl(sockfd, F_SETFL, flags);
    });

    // 连接到目标地址
    int ret = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    if (ret < 0 && errno != EINPROGRESS) { // 连接失败且不是EINPROGRESS
        // EINPROGRESS 表示仍在进行连接
        printf("Failed to connect: [%d:%s]\n", errno, strerror(errno));
        return false;
    }

    // 在非阻塞模式下，需要使用 select() 或 epoll() 等函数来等待连接完成
    fd_set fdset;
    FD_ZERO(&fdset);
    FD_SET(sockfd, &fdset);
    struct timeval timeout;
    timeout.tv_sec = 1;
    timeout.tv_usec = 0;
    ret = select(sockfd + 1, nullptr, &fdset, nullptr, &timeout);
    if (ret < 0) {
        printf("Failed to select: [%d:%s]\n", errno, strerror(errno));
        return false;
    } else if (ret == 0) { // 超时了
        printf("Connection timed out\n");
        return false;
    } else {  // 连接成功或失败
        int valopt = -1;
        socklen_t optlen = sizeof(valopt);
        getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, (void*)&valopt, &optlen);  // 获取连接结果
        if (valopt != 0) {  // 连接失败
            printf("Failed to connect: [%d:%s]\n", valopt, strerror(valopt));
            return false;
        }
    }

    return true;
}

/*************************************************************************
    > File Name: tcp_simultaneous_open.cc
    > Author: hsz
    > Brief:
    > Created Time: 2024年10月25日 星期五 15时35分09秒
 ************************************************************************/

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <thread>
#include <map>
#include <vector>
#include <thread>
#include <functional>

#include <getopt.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#include "common.h"

#include <log/log.h>

#define LOG_TAG "TCP simultaneous open"

int32_t Bind(const char *local_host, uint16_t local_port)
{
    // 创建套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        printf("socket error, errno: %d, errstr: %s\n", errno, strerror(errno));
        return -1;
    }

    int32_t flag = 1;
    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, (char*)&flag, sizeof(flag))) {
        perror("setsockopt(SO_REUSEPORT) error");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    sockaddr_in local_addr;
    memset(&local_addr, 0, sizeof(local_addr));
    local_addr.sin_family = AF_INET;
    local_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(local_host);
    local_addr.sin_port = htons(local_port);

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&local_addr, sizeof(local_addr)) < 0) {
        perror("bind error");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    return sockfd;
}

void thread_func(int32_t sock, const char *peer_host, uint16_t peer_port)
{
    sockaddr_in remote_addr;
    memset(&remote_addr, 0, sizeof(remote_addr));
    remote_addr.sin_family = AF_INET;
    remote_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(peer_host);
    remote_addr.sin_port = htons(peer_port);

    if (peer_port == 12999) {
        usleep(10); // usleep(1000 * 1000);
    }

    LOGI("begin");
    if (TimeoutConnect(sock, remote_addr, 1000)) {
        send(sock, "hello", 6, 0);
        char buf[16] = { '\0' };
        recv(sock, buf, sizeof(buf), 0);
        LOGI("recv: %s", buf);
    }
    LOGI("end");
}

int main(int argc, char **argv)
{
    const char *bind_host = "192.168.3.10";
    int32_t firstSock = Bind(bind_host, 12999);
    int32_t secondSock = Bind(bind_host, 13999);
    if (firstSock < 0 || secondSock < 0) {
        return 0;
    }

    std::thread th1(std::bind(&thread_func, firstSock, bind_host, 13999));
    std::thread th2(std::bind(&thread_func, secondSock, bind_host, 12999));

    th1.join();
    th2.join();
    return 0;
}

测试结果

概率正常连接
抓包结果

延迟测试

由于两个套接字是客户端性质，必须保证同时处于SYN-SENT状态。
流程梳理：客户端A （127.0.0.1:12999）、客户端B（127.0.0.1:13999）
1、A向B发送SYN，此时B必须处于SYN-SENT状态，否则就会因为是客户端性质而收到RST信号
2、A收到RST信号后进入CLOSED 状态，此时B在延迟1ms后发送SYN，将同样收到RST信号

延迟探测

经过多次测试，延迟 5 - 20 微秒的概率会增大，如tcpdump的图，12999发送SYN的时间点是16:19:20.330111
收到SYN-ACK的时间点是16:19:20.330134，间隔了 23 微秒

P2P之TCP穿透

以上测试仅限本地。
公网环境存在传输时间，如果同时发送理论上能连接上的概率更大。但是考虑到现有的Nat设备，将会使概率降到很小。
以华为AX3Pro路由器为例，端口限制型，其自带的一个功能就是拒绝不请自来的SYN连接，遇到连接将会回复RST。
注：此路由器有个小特性，一般路由器经过nat后的端口是随机的，但是AX3Pro就是内网使用的端口
在这里插入图片描述

16:00:49.298805时间点12888向13888发送了SYN
16:00:49.298830时间点13888向12888发送了SYN
此时12888和13888都处于SYN-SENT状态，理论上相互SYN将会成功建立连接
但是在时间点16:00:49.299272和16:00:49.299377 12888和13888都收到了RST回复
此回复并不是内核发送，因为tcpdump从未捕获到来自对方的SYN请求
这就说明了路由器存在拒绝不请自来的SYN请求的功能