Wireshark 抓包实例分析 TCP 重复 ACK 与乱序

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2023-12-01

介绍

TCP的一大常见问题在于重复ACK与快速重传。这一现象的发生也是由于性能问题，本章讨论如何发现这一问题以及他们意味着什么。

另一个常见问题是前一片段丢失以及乱序片段。某些情况下，这一现象喻示着故障发生，可能是由于网络问题或是抓包中断。

更多信息

重复ACK与快速重传:

当网速变慢时，重复ACK是可能的原因之一。大多数情况下，重复ACK的发生是由于高延时，延迟的变化，或无法响应ACK请求的慢速终端。

当重复ACK的数量保持在合理范围时，即1或2个百分比，则可能不是本机问题。
当有大量的重复ACK时（假设有10个），则可能：
- 通信链路繁忙引起延迟改变
- 服务器或客户端无响应
快速重传是对重复ACK的响应报文。
下图是该问题的示例。本例中51个重复ACK之后发生了快速重传：

以下是如何解决该问题：
- 如果重复ACK和重传数量较少（少于1个百分比），是可以接受的。
- 如果重复ACK发生在无线网络环境，或是Internet之上的连接，延时或是延时的改变对于这类网络来说很常见，所以也没有什么可做的。
- 如果发生在组织内的网络，则可能有问题。如果发生在LAN之上，检查严重的问题，例如缓存和CPU负载，慢速服务器，等等。如果发生在WAN之上，查看延时，负载以及线路不稳定。
  工作原理

当发现有丢失报文时（期望的序列号没有收到），或者收到了预期之外的序列号。这种情况下，接收端生成一个ACK，声明自己希望收到的下一个序列号。接收方持续生成丢失片段的ACK请求，直到实际收到。

在发送方，当它收到三个相同的ACK（初始ACK和两个重复ACK），就会假设有报文丢失并重传该报文，无论重传计时器是否过期。再次发送的报文称为快速重传。

重复ACK也减少了发往网络的吞吐量。减少了多少吞吐量取决于TCP版本。比较早期的TCP版本中出现了重复ACK，发送方将吞吐量减少为之前的一半。在多个DupACK的情况下，吞吐量减到最小。

下图显示了重复ACK和重传的典型例子，本图中第一次重复ACK将吞吐量降低至大约40%，之后重传将吞吐量减至最小。

乱序报文:

在两端抓包，乱序情况下需要关注三种现象：

先前片段丢失：当前收到报文的序列号高于该连接的下一个期望序列号时，表明之前的一个或多个报文未能到达
乱序报文：当前报文的序列号低于该连接先前收到的报文
先前片段未能捕捉：（Wireshark 1.8.x及以上版本）：同先前报文丢失。
何时发生？

用户可能在以下情况看到乱序报文：

连接开始时抓包：当建立连接时抓包，这时，看到连接上的报文没有SYN/SYN-ACK/ACK，因此，Wireshark认为连接有问题。
确实有报文丢失：这时会看到丢失报文重传和/或重复ACK告知发送方重传丢失报文。

上图是报文丢失的典型示例。从图中可见，10.0.0.6尝试浏览站点62.90.90.210。这一过程中， TCP片段每个1420字节发送到web服务器，334到336之间3个报文丢失，338到340之间2个报文丢失。两者Wireshark都有提示：TCP’s previous segment is not captured.

延时变化：这可能是由于报文从源地址到目的地址经由不同的路由。检查这一点可以使用Tracert，在源和目的地址之间查找路由改变。如果在公司内部网络上是可以做到的，例如，在路由器上配置trap。
数据捕捉问题：可能报文正常收发，但Wireshark没有捕捉到。可能有以下几种原因：
- 数据量比较大时，Wireshark在高比特率的情况下可能会丢失报文（高于150-180 Mbps）。要避免这一问题，使用其他工具（大多数需要付费）。
- 台式机不够强大，内存或CPU无法让Wireshark工作的足够快。这一点很好发现。
- 当LAN交换机的端口缓存太小，报文可能被丢弃。连接到交换机（用控制台或telnet连接）使用交换机命令行来检查该问题。
- 无线网络抓包，由于某种原因没有看到所有发送报文。
  总结

乱序报文的原理很简单。TCP发送以其字节数为编号的报文到接收方。当一个报文没有按照顺序到达时，Wireshark就会注意到。原因有两点：

确实有问题：这时会看到重传和重复ACK，这是TCP对于收到乱序报文的响应。
抓包问题：这时仅看到乱序报文，但没有看到对可能丢失及乱序报文的响应，可能实际上并没有问题。