文章首发于个人公众号「小白debug」
原文链接：连接一个 IP 不存在的主机时，握手过程是怎样的？
鸽了好长时间了，最近很忙。以前工作忙完，就抽空写文章。
现在忙完工作，还要一三五学驾照，二四六看家具。有同感的老铁们不要举手，拉到右下角点个"在看"就好了。
真的，全怪某音。
扯远了，回到今天的主题。
方兄最近写了篇很赞的文章 写给想去字节写 Go 的你 ，里面提到了两个问题。
连接一个 IP 不存在的主机时，握手过程是怎样的？
连接一个 IP 地址存在但端口号不存在的主机时，握手过程又是怎样的呢？
让我回想起曾经也被面试官问过类似的问题，意识到应该很多朋友会对这个问题感兴趣。
所以来给大家唠唠。
这两个问题可以延伸出非常多的点。
看完了，说不定能加分！
正常情况的握手过程是怎么样的
上面提到的问题，其实是指TCP的三次握手流程。这绝对是面试八股文里的老股了。
我们简单回顾下基础知识点。
在服务端启动好后会调用 listen() 方法，进入到 LISTEN 状态，然后静静等待客户端的连接请求到来。
而此时客户端主动调用 connect(IP地址) ，就会向某个IP地址发起第一次握手，发送SYN 到目的服务器。
服务器在收到第一次握手后就会响应客户端，这是第二次握手。
客户端在收到第二次握手的消息后，响应服务的一个ACK，这算第三次握手，此时客户端 就会进入 ESTABLISHED状态，认为连接已经建立完成。
通过抓包可以直观看出三次握手的流程。
连一个 IP 不存在的主机时，握手过程是怎样的
那不存在的IP，分两种，局域网内和局域网外的。
我以我家里的情况举例。
家里有一台家用路由器。本质上它的功能已经集成了我们常说的路由器，交换机和无线接入点的功能了。
其中路由器和交换机在之前写过的 《硬核图解！30张图带你搞懂！路由器，集线器，交换机，网桥，光猫有啥区别？》里已经详细介绍过了，就不再说一遍了。无线接入点基本可以认为就是个放出 wifi 信号的组件。
家用路由器下，连着我的N台设备，包括手机和电脑，他们的IP都有个共同点。都是 192.168.31.xx 形式的。其中，我的电脑的IP是192.168.31.6 ，这个可以通过 ifconfig查到。
符合这个形式的这些个设备，本质上就是通过各种设备（wifi或交换机等）接入到上图路由器的e2端口，他们共同构成一个局域网。
因此，在我家，我们可以粗暴点认为只要是 192.168.31.xx 形式的IP，就是局域网内的IP。否则就是局域网外的IP，比如 192.0.2.2 。
目的IP在局域网内
因为通过 ifconfig 可以查到我的局域网内IP是192.168.31.6 ，这里盲猜末尾+1是不存在的 IP 。试了下，192.168.31.7 还真不存在。
$ ping 192.168.31.7
PING 192.168.31.7 (192.168.31.7): 56 data bytes
Request timeout for icmp_seq 0
Request timeout for icmp_seq 1
Request timeout for icmp_seq 2
Request timeout for icmp_seq 3
^C
--- 192.168.31.7 ping statistics ---
5 packets transmitted, 0 packets received, 100.0% packet loss
于是写个程序尝试连这个IP 。下面的代码是 golang 写的，大家不看代码也没关系，放出来只是方便大家自己复现的时候用的。
// tcp客户端
package main
import (
"fmt"
"io"
"net"
"os"
)
func main() {
client, err := net.Dial("tcp", "192.168.31.7:8081")
if err != nil {
fmt.Println("err:", err)
return
}
defer client.Close()
go func() {
input := make([]byte, 1024)
for {
n, err := os.Stdin.Read(input)
if err != nil {
fmt.Println("input err:", err)
continue
}
client.Write([]byte(input[:n]))
}
}()
buf := make([]byte, 1024)
for {
n, err := client.Read(buf)
if err != nil {
if err == io.EOF {
return
}
fmt.Println("read err:", err)
continue
}
fmt.Println(string(buf[:n]))
}
}
然后尝试抓包。
可以发现根本没有三次握手的包，只有一些 ARP 包，在询问“谁是 192.168.31.7，告诉一下 192.168.31.6” 。
这里有三个问题
- 为什么会发ARP请求？
- 为什么没有TCP握手包？
- ARP本身是没有重试机制的，为什么ARP请求会发那么多遍？
首先我们看下正常情况下执行connect，也就是第一次握手 的流程。
应用层执行connect过后，会通过socket层，操作系统接口，进程会从用户态进入到内核态，此时进入 传输层，因为是TCP第一次握手，会加入TCP头，且置SYN标志。
然后进入网络层，我想要连的是 192.168.31.7 ，虽然它是我瞎编的，但IP头还是得老老实实把它加进去。
此时需要重点介绍的是邻居子系统，它在网络层和数据链路层之间。可以通过ARP协议将目的IP转为对应的MAC地址，然后数据链路层就可以用这个MAC地址组装帧头。
我们看下那么ARP协议的流程是
1.先到本地ARP表查一下有没有 192.168.31.7 对应的 mac地址，有的话就返回，这里显然是不可能会有的。
可以通过 arp -a 命令查看本机的 arp表都记录了哪些信息
$ arp -a
? (192.168.31.1) at 88:c1:97:59:d1:c3 on en0 ifscope [ethernet]
? (224.0.0.251) at 1:0:4e:0:1:fb on en0 ifscope permanent [ethernet]
? (239.255.255.250) at 1:0:3e:7f:ff:fb on en0 ifscope permanent [ethernet]
2.看下 192.168.31.7 跟本机IP 192.168.31.6在不在一个局域网下。如果在的话，就在局域网内发一个 arp 广播，内容就是 前面提到的 “谁是 192.168.31.7，告诉一下 192.168.31.6”。
3.如果目的IP跟本机IP不在同一个局域网下，那么会去获取默认网关的MAC地址，这里就是指获取家用路由器的MAC地址。然后把消息发给家用路由器，让路由器发到互联网，找到下一跳路由器，一跳一跳的发送数据，直到把消息发到目的IP上，又或者找不到目的地最终被丢弃。
4.第2和第3点都是本地没有查到 ARP 缓存记录的情况，这时候会把SYN报文放进一个队列（叫unresolved_queue）里暂存起来，然后发起ARP请求；等ARP层收到ARP回应报文之后，会再从缓存中取出 SYN 报文，组装 MAC 帧头，完成刚刚没完成的发送流程。
如果经过 ARP 流程能正常返回 MAC 地址，那皆大欢喜，直接给数据链路层，经过 ring buffer 后传到网卡，发出去。
但因为现在这个IP是瞎编的，因此不可能得到目的地址 MAC ，所以消息也一直没法到数据链路层。整个流程卡在了ARP流程中。
而抓包是在数据链路层之后进行的，因此 TCP 第一次握手的包一直没能抓到，只能抓到为了获得 192.168.31.7 的MAC地址的ARP请求。
发送数据时，是在经过数据链路层之后的 dev_queue_xmit_nit 方法执行抓包操作的，这是属于网卡驱动层的方法了。
顺带一提，接收端抓包是在 __netif_receive_skb_core 方法里执行的，也属于网卡驱动层。感兴趣的朋友们可以以这个为关键词搜索相关知识点哈
此时 因为 TCP 协议是可靠的协议，对于 TCP 层来说，第一次握手的消息，已经发出去了，但是一直没有收到 ACK。也不知道消息是出去后是遇到什么事了。为了保证可靠性，它会不断重发。
而每一次重发，都会因为同样的原因（没有目的 MAC 地址）而尬在了 ARP 那个流程里。因此，才看到好几次重复的 ARP 消息。
那回到刚刚的三个问题
-
为什么会发 ARP 请求？
因为目的地址是瞎编的，本地ARP表没有目的机器的MAC地址，因此发出ARP消息。
-
为什么没有 TCP 握手包？
因为协议栈的数据到了网络层后，在数据链路层前，就因为没有目的MAC地址，没法发出。因此抓包软件抓不到相关数据。
-
为什么 ARP 请求会发那么多遍？
因为 TCP 协议的可靠性，会重发第一次握手的消息，但每一次都因为没有目的 MAC 地址而失败，每次都会发出ARP请求。
小结
连一个 IP 不存在的主机时，如果目的IP在局域网内，则第一次握手会失败，接着不断尝试重发握手的请求。同时，本机会不断发出ARP请求，企图获得目的机器的 MAC 地址。并且，因为没能获得目的 MAC 地址，这些 TCP 握手请求最终都发不出去，
目的IP在局域网外
上面提到的是，目的 IP 在局域网内的情况，下面讨论目的IP在局域网外的情况。
瞎编一个不是 192.168.31.xx 形式的 IP 作为这次要用的局域网外IP， 比如 10.225.31.11。
先抓包看一下。
这次的现象是能发出 TCP 第一次握手的 SYN包。
这里有两个问题
- 为什么连局域网外的 IP 现象跟连局域网内不一致？
- TCP 第一次握手的重试规律好像不太对？
为什么连局域网外的IP现象跟连局域网内不一致？
这个问题的答案其实在上面 ARP 的流程里已经提到过了，如果目的 IP 跟本机 IP 不在同一个局域网下，那么会去获取默认网关的 MAC 地址，这里就是指获取家用路由器的MAC地址。
此时ARP流程成功返回家用路由器的 MAC 地址，数据链路层加入帧头，消息通过网卡发到了家用路由器上。
消息会通过互联网一直传递到某个局域网为 10.225.31.xx 的路由器上，那个路由器 发出ARP 请求，询问他们局域网内的机器有没有叫 10.225.31.11的 （结果当然没有）。
最终没能发送成功，发送端也就迟迟收不到目的机的第二次握手响应。
因此触发TCP重传。
TCP第一次握手的重试规律好像不太对？
在 Linux 中，第一次握手的 SYN 重传次数，是通过 tcp_syn_retries 参数控制的。可以通过下面的方式查看
$cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_syn_retries
6
这里的含义是指 syn重传 会发生6次。
而每次重试都会间隔一定的时间，这里的间隔一般是 1s，2s，4s，8s, 16s, 32s .
而事实上，看我的截图，是先重试4次，每次都是1s，之后才是 1s，2s，4s，8s, 16s, 32s 的重试。
这跟我们知道的不太一样。
这个是因为我用的是macOS抓的包，跟linux就不是一个系统，各自的TCP协议栈在sync重传方面的实现都可能会有一定的差异。
我还听说 oppo 和 vivo 的 syn重传 是0.5s起步的。而 windows 的 syn重传 还有自己的专利。
这些冷知识大家可以不用在意。面试的时候知道linux的就够了，剩下的可以用来装逼。毕竟面试官不在意"茴"字到底有几种写法。
连IP 地址存在但端口号不存在的主机的握手过程
前面提到的是IP地址压根就不存在的情况。假如IP地址存在但端口号是瞎编的呢？
目的IP是回环地址
现象也比较简单，已经IP地址是存在的，也就是在互联网中这个机器是存在的。
那么我们可以正常发消息到目的IP，因为对应的MAC地址和IP都是正确的，所以，数据从数据链路层到网络层都很OK。
直到传输层，TCP协议在识别到这个端口号对应的进程根本不存在时，就会把数据丢弃，响应一个RST消息给发送端。
RST是什么？
我们都是到TCP正常情况下断开连接是用四次挥手，那是正常时候的优雅做法。
但异常情况下，收发双方都不一定正常，连挥手这件事本身都可能做不到，所以就需要一个机制去强行关闭连接。
RST 就是用于这种情况，一般用来异常地关闭一个连接。它在TCP包头中，在收到置了这个标志位的数据包后，连接就会被关闭，此时接收到 RST的一方，一般会看到一个 connection reset 或 connection refused 的报错。
目的IP在局域网内
刚刚提到我的本机IP是 192.168.31.6 ，局域网内有台 192.168.31.1 。同样尝试连一个不存在的端口。
此时现象跟前者一致。
唯一不同的是，前者是回环地址，RST数据是从本机的传输层返回的。而这次的情况，RST数据是从目的机器的传输层返回的。
目的IP在局域网外
找一个存在的外网ip，这里我拿了最近刚白嫖的阿里云服务器地址 47.102.221.141 。（炫耀）
进行连接连接，发现与前面两种情况是一致的，目的机器在收到我的请求后，立马就通过 RST标志位 断开了这次的连接。
这一点跟前面两种情况一致。
熟悉小白的朋友们都知道，每次搞事情做测试，都会用 baidu.com 。
这次也不例外，ping 一下 baidu.com ,获得它的 IP: 220.181.38.148 。
$ ping baidu.com
PING baidu.com (220.181.38.148): 56 data bytes
64 bytes from 220.181.38.148: icmp_seq=0 ttl=48 time=35.728 ms
64 bytes from 220.181.38.148: icmp_seq=1 ttl=48 time=38.052 ms
64 bytes from 220.181.38.148: icmp_seq=2 ttl=48 time=37.845 ms
64 bytes from 220.181.38.148: icmp_seq=3 ttl=48 time=37.210 ms
64 bytes from 220.181.38.148: icmp_seq=4 ttl=48 time=38.402 ms
64 bytes from 220.181.38.148: icmp_seq=5 ttl=48 time=37.692 ms
^C
--- baidu.com ping statistics ---
6 packets transmitted, 6 packets received, 0.0% packet loss
round-trip min/avg/max/stddev = 35.728/37.488/38.402/0.866 ms
发消息到给百度域名背后的 IP，且瞎随机指定一个端口 8080， 抓包。
现象却不一致。没有 RST 。而且触发了第一次握手的重试消息。这是为什么？
这是因为baidu的机器，作为线上生产的机器，会设置一系列安全策略，比如只对外暴露某些端口，除此之外的端口，都一律拒绝。
所以很多发到 8080端口的消息都在防火墙这一层就被拒绝掉了，根本到不了目的主机里，而RST是在目的主机的TCP/IP协议栈里发出的，都还没到这一层，就更不可能发RST了。因此发送端发现消息没有回应（因为被防火墙丢了），就会重传。所以才会出现上述抓包里的现象。
总结
连一个 IP 不存在的主机时
如果IP在局域网内，会发送N次ARP请求获得目的主机的MAC地址，同时不能发出TCP握手消息。
如果IP在局域网外，会将消息通过路由器发出，但因为最终找不到目的地，触发TCP重试流程。
连IP 地址存在但端口号不存在的主机时
不管目的IP是回环地址还是局域网内外的IP地址，目的主机的传输层都会在收到握手消息后，发现端口不正确，发出RST消息断开连接。
当然如果目的机器设置了防火墙策略，限制他人将消息发到不对外暴露的端口，那么这种情况，发送端就会不断重试第一次握手。
最后留个问题，连一个 不存在的局域网外IP的主机时，我们可以看到TCP的重发规律是：开始时，每隔1s重发五次 TCP SYN消息，接着2s,4s,8s,16s,32s都重发一次；
对比连一个 不存在的局域网内IP的主机时，却是每隔1s重发了4次ARP请求，接着过了32s后才再发出一次ARP请求。已知ARP请求是没有重传机制的，它的重试就是TCP重试触发的，但两者规律不一致，是为什么？
最后
欢迎大家加我（gong中号里右下角“联系我”），互相围观朋友圈砍一刀啥的哈哈。
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别说了，一起在知识的海洋里呛水吧
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