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用 SystemTap 找出 TCP 如何決定 MSS 的值

fcamel
fcamel的程式開發心得
Published in
14 min readNov 12, 2017

先前在《TCP maximum segment size 是什麼以及是如何決定的》介紹 MSS 相關知識，最後在讀 Linux kernel原始碼的時候，有找到相關部份，但沒有往下深入。這篇透過SystemTap 嘗試追得更深入一些。

關於 SystemTap 的基本知識和安裝方法，寫在《用 SystemTap 找出送 SIGKILL 的 process》。若想進一步發揮更多功能，需要配合原始碼才行。

注意: 文內附的 kernel 原始碼連結是連到最新版 Linux kernel，方便讀者閱讀註解和函式的大概脈絡。而我是用 Ubuntu 上 4.4.0–98-generic，所以細節對到的行數會和最新版略有不同。

取得 kernel 原始碼

修改 /etc/apt/sources.list，將 deb-src ... 的註解取消掉，例如:

deb-src http://us.archive.ubuntu.com/ubuntu/ xenial main restricteddeb-src http://us.archive.ubuntu.com/ubuntu/ xenial-updates main restricted

更新 package 列表

$ apt-get update

列出可安裝的 linux-source 版本:

$ apt-cache search linux-source
linux-source - Linux kernel source with Ubuntu patches
linux-source-4.4.0 - Linux kernel source for version 4.4.0 with Ubuntu patches
linux-source-4.10.0 - Linux kernel source for version 4.10.0 with Ubuntu patches
linux-source-4.11.0 - Linux kernel source for version 4.11.0 with Ubuntu patches
linux-source-4.13.0 - Linux kernel source for version 4.13.0 with Ubuntu patches
linux-source-4.8.0 - Linux kernel source for version 4.8.0 with Ubuntu patches

找出安裝的 linux kernel 版本:

$ uname -r
4.4.0-98-generic

下載 linux kernel source codes 到目前目錄下:

$ apt-get source linux-source-4.4.0

觀察 MSS 的變化

從 net/ipv4/tcp_output.c 看到幾個相關的函式:

  • tcp_advertise_mss() 回傳 advertise MSS，作為的 MSS 的參考值之一。
  • tcp_current_mss() 回傳目前的 MSS。

先確認 MSS 的值隨著過程會不斷變化 :

$ cat tcp_current_mss.stp
global prog_name = "tcp_test";probe begin {
  printf("--- Ready ---\n");
}probe kernel.function("tcp_current_mss").return {
  if (execname() == prog_name) {
    printf("> tcp_current_mss=%d\n", $return);
  }
}$ sudo stap tcp_current_mss.stp
--- Ready ---
> tcp_current_mss=21888
> tcp_current_mss=22912
...
> tcp_current_mss=30080
> tcp_current_mss=31104
> tcp_current_mss=32128

為方便過濾內容，我只顯示程式名稱 tcp_test 的內容。$return 是 “function(…).return” 才能使用的特殊變數。

執行 stap 後，另外執行測試程式 tcp_test。tcp_test 會接受來自一個 TCP 連線，然後和 client 互相傳送資料。從上可以看出 MSS 的值不斷變大。我是在本機執行 client ，所以 MSS 的值相當大。

從 net/ipv4/tcp_output.c 得知 tcp_current_mss() 會參考 tcp_sync_mss() 的值，要驗證是否 tcp_sync_mss() 確實有影響，可以加入 tcp_sync_mss() 的 probe:

...probe kernel.function("tcp_current_mss").return {
  ...
}probe kernel.function("tcp_sync_mss").return {
  if (execname() == prog_name) {
    printf("> tcp_sync_mss=%d (pmtu=%d)\n", $return, @entry($pmtu));
  }
}

pmtu 是 tcp_sync_mss() 帶的參數，是 Path MTU 的值，順便一起觀察。結果如下:

$ sudo stap tcp_current_mss.stp
--- Ready ---
> tcp_current_mss=21888
> tcp_sync_mss=22912 (pmtu=65535)
> tcp_current_mss=22912
> tcp_sync_mss=23936 (pmtu=65535)
> tcp_current_mss=23936
> tcp_sync_mss=24960 (pmtu=65535)
> tcp_current_mss=24960
> tcp_sync_mss=25984 (pmtu=65535)
> tcp_current_mss=25984
> tcp_sync_mss=27008 (pmtu=65535)
> tcp_current_mss=27008
> tcp_sync_mss=28032 (pmtu=65535)
> tcp_current_mss=28032
> tcp_sync_mss=29056 (pmtu=65535)
> tcp_current_mss=29056
> tcp_sync_mss=30080 (pmtu=65535)
> tcp_current_mss=30080
> tcp_sync_mss=31104 (pmtu=65535)
> tcp_current_mss=31104
> tcp_sync_mss=32128 (pmtu=65535)
> tcp_current_mss=32128
> tcp_sync_mss=32128 (pmtu=65535)

為什麼 tcp_sync_mss() 前面算出來的 MSS 比較小呢？從程式得知 tcp_sync_mss() 會呼叫 tcp_mtu_to_mss()、tcp_bound_to_half_wnd():

unsigned int tcp_sync_mss(struct sock *sk, u32 pmtu)
{
  ...
  mss_now = tcp_mtu_to_mss(sk, pmtu);
  mss_now = tcp_bound_to_half_wnd(tp, mss_now);
  ...
  return mss_now;
}

tcp_bound_to_half_wnd() 會限制 MSS 上限在 window size的一半。window size 表示可以送的 bytes 數，所以這個限制很合理。

tcp_mtu_to_mss() 呼叫 __tcp_mtu_to_mss() 作了許多計算，但 tcp_sync_mss() 呼叫 tcp_mtu_to_mss() 的部份沒有可 probe 的點:

( kernel 4.4.0–98-generic 在 tcp_outut.c:1403 呼叫 tcp_mtu_to_mss() )

這裡透過 stap -L 找出可偵測的點，還有列出可觀察的變數。

所以這條線索就斷了。改試著找出 __tcp_mtu_to_mss() 可probe 的點:

有 probe 的點，但沒有可觀察的變數，所以也沒用。如此一來，想弄懂細節得仔細研究程式碼，這裡就先打住不追了。

觀察 TCP handshake 設定 MSS 的值

《TCP maximum segment size 是什麼以及是如何決定的》提到 TCP 會在 handshake 的時候在 SYN 封包的 options 裡設定 MSS，這樣對方就不會用超過這大小的 MSS。一樣來用 SystemTap 看看能否深入了解更多細節。

tcp_connect() 開啟連線送出 SYN 封包。其中關鍵的幾行:

3280   /* Send off SYN; include data in Fast Open. */
3281   err = tp->fastopen_req ? tcp_send_syn_data(sk, buff) :
3282         tcp_transmit_skb(sk, buff, 1, sk->sk_allocation);

一般情況應該不會用 fast open，加上 tcp_transmit_skb() 的註解看來滿符合目標:

/* This routine actually transmits TCP packets queued in by
 * tcp_do_sendmsg().  This is used by both the initial
 * transmission and possible later retransmissions.
 * All SKB's seen here are completely headerless.  It is our
 * job to build the TCP header, and pass the packet down to
 * IP so it can do the same plus pass the packet off to the
 * device.
 *
 * We are working here with either a clone of the original
 * SKB, or a fresh unique copy made by the retransmit engine.
 */
static int tcp_transmit_skb(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, int clone_it,
          gfp_t gfp_mask)
{
...
}

所以就繼續看 tcp_transmit_skb()，發現關鍵字 TCPHDR_SYN，以此為線索找相關程式 :

930   inet = inet_sk(sk);
931   tp = tcp_sk(sk);
932   tcb = TCP_SKB_CB(skb);
933   memset(&opts, 0, sizeof(opts));
934
935   if (unlikely(tcb->tcp_flags & TCPHDR_SYN))
936     tcp_options_size = tcp_syn_options(sk, skb, &opts, &md5);
937   else
938     tcp_options_size = tcp_established_options(sk, skb, &opts,
939                  &md5);

再來看 tcp_syn_options() 裡和 MSS 相關的程式:

543 /* Compute TCP options for SYN packets. This is not the final
544  * network wire format yet.
545  */
546 static unsigned int tcp_syn_options(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
547         struct tcp_out_options *opts,
548         struct tcp_md5sig_key **md5)
549 {
   ...
573   opts->mss = tcp_advertise_mss(sk);

不幸的是，tcp_advertise_mss() 已被 inline，也沒有可以 probe 的點:

tcp_syn_options() 也無法觀察 opts。不過 tcp_transmit_skb() 有很多可以 probe 的點，和程式碼對應來看:

993   tcp_options_write((__be32 *)(th + 1), tp, &opts);

993 行要輸出 TCP options 的內容，所以這時 opts->mss 應該就是最終結果，觀察程式如下:

$ cat tcp_syn_mss.stp
global prog_name = "tcp_test";probe begin {
  printf("--- Ready ---\n");
}probe kernel.function("tcp_connect").call {
  if (execname() == prog_name) {
    printf("{ tcp_connect\n");
  }
}probe kernel.function("tcp_connect").return {
  if (execname() == prog_name) {
    printf("} tcp_connect\n");
  }
}probe kernel.statement("tcp_transmit_skb@net/ipv4/tcp_output.c:993") {
  // Observable variables according to "stap -L":
  //   $sk:struct sock*
  //   $skb:struct sk_buff*
  //   $opts:struct tcp_out_options
  //   $tcp_header_size:unsigned int
  //   $md5:struct tcp_md5sig_key*
  if (execname() == prog_name) {
    printf("opts->mss=%d\n", $opts->mss);
  }
}

執行結果:

$ sudo stap tcp_syn_mss.stp
--- Ready ---
{ tcp_connect
opts->mss=65495
} tcp_connect
opts->mss=0
opts->mss=0
opts->mss=0
...

由此確認在送 SYN 封包時 MSS 是設成下一站 MTU 減去 header size ( 65535 — 40 = 65495)，其它封包不會帶有這個 option。

這如此一來，有興趣了解更多細節，可以看 tcp_advertise_mss() 和 tcp_output.c:993 之前的部份程式碼，縮小了要閱讀的範圍。

總結

  • 用 my_prog_name == execname() 或 pid() == target() ( 搭配 stap -x PID ) 過濾顯示資訊。
  • 用 stap -L 找出可偵測的點和可觀察的變數，包含 stap -L ‘kernel.function(“…”).call’、stap -L ‘kernel.function(“…”).return’、stap -L ‘kernel.statement(“FUNCTION@PATH:*”)' 等。
  • 找不到可觀察的點，可以對照程式碼找參數傳遞的流程，找出後面可以觀察的點，再來觀察。

還有許多實用的技巧，比方說用 SystemTap 追踪函式呼叫流程，對 user space 程式也管用。

參考資料

這幾篇有相當多有用的的資訊，推薦一讀:

還有 SystemTap 帶的 tapset 也有許多例子可參考。從原始碼編譯安裝的話， tapset 放在 /usr/local/share/systemtap/tapset/。

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