让人迷糊的 socket udp 连接问题

Posted 2022-03-08 qcrao

公司内部的一个 golang 中间件报 UDP 连接异常的日志，问题很明显，对端的服务挂了，自然重启下就可以了。

哈哈，但让我疑惑的问题是 udp 是如何检测对端挂了？

err:  write udp 172.16.44.62:62651->172.16.0.46:29999: write: connection refused

err:  write udp 172.16.44.62:62651->172.16.0.46:29999: write: connection refused

err:  write udp 172.16.44.62:62651->172.16.0.46:29999: write: connection refused

...

UDP 协议既没有三次握手，又没有 TCP 那样的状态控制报文，那么如何判定对端的 UDP 端口是否已打开？

通过抓包可以发现，当服务端的端口没有打开时，服务端的系统向客户端返回 icmp ECONNREFUSED 报文，表明该连接异常。

通过抓包可以发现返回的协议为 ICMP，但含有源端口和目的端口，客户端系统解析该报文时，通过五元组找到对应的 socket，并 errno 返回异常错误，如果客户端陷入等待，则唤醒起来，设置错误状态.

(上面是 udp 异常下的 icmp，下面是正常 icmp)

当 UDP 连接异常时，可以通过 tcpdump 工具指定 ICMP 协议来抓取该异常报文，毕竟对方是通过 icmp 返回的 ECONNREFUSED。

使用 tcpdump 抓包

请求命令：

先找到一个可以 ping 通的主机，然后用 nc 模拟 udp 客户端去请求不存在的端口，出现 Connection refused。

[root@ocean ~]# nc -vzu 172.16.0.46 8888
Ncat: Version 7.50 ( https://nmap.org/ncat )
Ncat: Connected to 172.16.0.46:8888.
Ncat: Connection refused.

抓包信息如下：

[root@ocean ~]# tcpdump -i any icmp -nn
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on any, link-type LINUX_SLL (Linux cooked), capture size 262144 bytes
17:01:14.075617 IP 172.16.0.46 > 172.16.0.62: ICMP 172.16.0.46 udp port 8888 unreachable, length 37
17:01:17.326145 IP 172.16.0.46 > 172.16.0.62: ICMP 172.16.0.46 udp port 8888 unreachable, length 37
17:01:17.927480 IP 172.16.0.46 > 172.16.0.62: ICMP 172.16.0.46 udp port 8888 unreachable, length 37
17:01:18.489560 IP 172.16.0.46 > 172.16.0.62: ICMP 172.16.0.46 udp port 8888 unreachable, length 37

还需要注意的是 telnet 不支持 udp，只支持 tcp，建议使用 nc 来探测 udp。

各种case的测试

case小结

• 当 ip 无法连通时，udp 客户端连接时，通常会显示成功。

• 当 udp 服务端程序关闭，但系统还存在时，对方系统会 `icmp ECONNREFUSE 错误。

• 当对方有操作 iptables udp port drop 时，通常客户端也会显示成功。

IP 无法联通时：

[root@host-46 ~ ]$ ping 172.16.0.65
PING 172.16.0.65 (172.16.0.65) 56(84) bytes of data.
From 172.16.0.46 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable
From 172.16.0.46 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable
From 172.16.0.46 icmp_seq=3 Destination Host Unreachable
From 172.16.0.46 icmp_seq=4 Destination Host Unreachable
From 172.16.0.46 icmp_seq=5 Destination Host Unreachable
From 172.16.0.46 icmp_seq=6 Destination Host Unreachable
^C
--- 172.16.0.65 ping statistics ---
6 packets transmitted, 0 received, +6 errors, 100% packet loss, time 4999ms
pipe 4

[root@host-46 ~ ]$ nc -vzu 172.16.0.65 8888
Ncat: Version 7.50 ( https://nmap.org/ncat )
Ncat: Connected to 172.16.0.65:8888.
Ncat: UDP packet sent successfully
Ncat: 1 bytes sent, 0 bytes received in 2.02 seconds.

另外再次明确一点 udp 没有类似 tcp 那样的状态报文，所以单纯对 UDP 抓包是看不到啥异常信息。

那么当 IP 不通时，为啥 NC UDP 命令显示成功？

netcat nc udp 的逻辑

为什么当 ip 不连通或者报文被 DROP 时，返回连接成功？

因为 nc 默认的探测逻辑很简单，只要在 2 秒钟内没有收到 icmp ECONNREFUSED 异常报文，那么就认为 UDP 连接成功。😅

下面是 nc udp 命令执行的过程。

setsockopt(3, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, [1], 4) = 0
connect(3, sa_family=AF_INET, sin_port=htons(30000), sin_addr=inet_addr("172.16.0.111"), 16) = 0
select(4, [3], [3], [3], NULL)          = 1 (out [3])
getsockopt(3, SOL_SOCKET, SO_ERROR, [0], [4]) = 0
write(2, "Ncat: ", 6Ncat: )                   = 6
write(2, "Connected to 172.16.0.111:29999."..., 33Connected to 172.16.0.111:29999.
) = 33
sendto(3, "\\0", 1, 0, NULL, 0)          = 1

// select 多路复用方法里加入了超时逻辑。
select(4, [3], [], [], tv_sec=2, tv_usec=0) = 0 (Timeout)

write(2, "Ncat: ", 6Ncat: )                   = 6
write(2, "UDP packet sent successfully\\n", 29UDP packet sent successfully
) = 29
write(2, "Ncat: ", 6Ncat: )                   = 6
write(2, "1 bytes sent, 0 bytes received i"..., 481 bytes sent, 0 bytes received in 2.02 seconds.
) = 48
close(3)                                = 0

使用 golang/ python 编写的 UDP 客户端，给无法连通的地址发 UDP 报文时，其实也不会报错，这时候通常会认为发送成功。

还是那句话，UDP 没有 TCP 那样的握手步骤，像 TCP 发送 syn 总得不到回报时，协议栈会在时间退避下尝试 6 次，当 6 次还得不到回应，内核会给与错误的 errno 值。

UDP 连接信息

在客户端的主机上，通过 ss lsof netstat 可以看到 UDP 五元组连接信息。

[root@host-46 ~ ]$ netstat -tunalp|grep 29999
udp        0      0 172.16.0.46:44136       172.16.0.46:29999       ESTABLISHED 1285966/cccc

通常在服务端上看不到 UDP 连接信息，只可以看到 udp listen 信息！

[root@host-62 ~ ]# netstat -tunalp|grep 29999
udp       0      0 :::29999                :::*                                4038720/ss

客户端重新实例化问题？

当 client 跟 server 已连接，server 端手动重启后，客户端无需再次重新实例化连接，可以继续发送数据，当服务端再次启动后，照样可以收到客户端发来的报文。

udp 本就无握手的过程，他的 udp connect() 也只是在本地创建 socket 信息。在服务端使用 netstat 是看不到 udp 五元组的 socket。

Golang 测试代码

服务端代码：

package main

import (
    "fmt"
    "net"
)

// UDP 服务端
func main() 
    listen, err := net.ListenUDP("udp", &net.UDPAddr
        IP:   net.IPv4(0, 0, 0, 0),
        Port: 29999,
    )

    if err != nil 
        fmt.Println("Listen failed, err: ", err)
        return
    
    defer listen.Close()

    for 
        var data [1024]byte
        n, addr, err := listen.ReadFromUDP(data[:])
        if err != nil 
            fmt.Println("read udp failed, err: ", err)
            continue
        
        fmt.Printf("data:%v addr:%v count:%v\\n", string(data[:n]), addr, n)
    

客户端代码：

package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "time"
)

// UDP 客户端
func main() 
    socket, err := net.DialUDP("udp", nil, &net.UDPAddr
        IP:   net.IPv4(172, 16, 0, 46),
        Port: 29999,
    )
    if err != nil 
        fmt.Println("连接UDP服务器失败，err: ", err)
        return
    
    defer socket.Close()

    for 
        time.Sleep(1e9 * 2)
        sendData := []byte("Hello Server")
        _, err = socket.Write(sendData)
        if err != nil 
            fmt.Println("发送数据失败，err: ", err)
            continue
        

        fmt.Println("已发送")
    

总结

当 udp 服务端的机器可以连通且无异常时，客户端通常会显示成功。但当有异常时，会有以下的情况:

• 当 ip 地址无法连通时，udp 客户端连接时，通常会显示成功。

• 当 udp 服务端程序关闭，但系统还存在时，对方系统通过 icmp ECONNREFUSE 返回错误，客户端会报错。

• 当对方有操作 iptables udp port drop 时，客户端也会显示成功。

• 客户端和服务端互通数据，当服务进程挂了时，UDP 客户端不能立马感知关闭状态，只有当再次发数据时才会被对方系统回应 icmp ECONNREFUSE 异常报文，客户端才能感知对方挂了。