TCP 协议简析

基础知识

作为网络基础知识，相信大家对 TCP/IP 5层协议模型 不会感到陌生：

• 应用层（应用层，表示层，会话层）：具体的应用逻辑
• 传输层：提供进程间的通信服务
• 网络层：提供端系统之间的数据透明传送
• 链路层：数据在具体物理设备上的表示（设备驱动、网卡）
• 物理层：具体物理设备之间的链接（电缆）

其中的 TCP 与 IP 协议是互联网的基石。

IP 协议

IP Internet Protocol 协议解决了大规模、异构网络的互联互通问题：

1. 将不同物理设备的帧转换为统一的 IP 数据报 datagram，实现异构物理设备间的通信
2. 为每个设备分配一个唯一的逻辑地址，屏蔽物理地址的差异，实现异构物理设备间的寻址

IP 协议提供不可靠 Unreliable、无连接 Connectionless 的数据报传输功能：

• 不可靠：不能保证IP数据报能成功地到达目的地

IP 协议仅保证提供 尽力而为Best Effort 的输服务。

当发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，IP有一个简单的错误处理算法：丢弃数据报，然后发送ICMP消息报给信源端。

• 无连接：不维护任何关于后续数据报的状态信息

每个数据报的处理是相互独立的。

如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报(先是A，然后是B)，每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。

受限于协议的特性，IP 数据报可能出现 丢包 与 乱序。因此基于IP协议的互联网络必然是一个不可靠的网络。

TCP 协议

TCP Transport Control Protocol 协议是一个面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。其主要目的是在不可靠的互联网络上提供可靠的端到端字节流传输。

互联网络的不同部分可能有截然不同的拓扑结构、带宽、延迟、数据包大小和其他参数。
TCP的设计目标是能够动态地适应互联网络的这些特性，而且具备面对各种故障时的健壮性。

其核心的功能点可以概括为两方面：

• 流量控制：保证数据传输效率

  • 数据分片：在发送端对用户数据进行分片，在接收端进行重组，由TCP确定分片的大小并控制分片和重组
  • 滑动窗口：TCP连接每一方的接收缓冲空间大小都固定，接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制，防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出

• 可靠传输：保证数据传输正确性

  • 到达确认：接收端接收到分片数据时，根据分片数据序号向发送端发送一个确认
  • 超时重发：发送方在发送分片时启动超时定时器，如果在定时器超时之后没有收到相应的确认，重发分片
  • 失序处理：作为IP数据报来传输的TCP分片到达时可能会失序，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层
  • 重复处理：作为IP数据报来传输的TCP分片会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据
  • 数据校验：TCP将保持它首部和数据的检验和，这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到分片的检验和有差错，TCP将丢弃这个分片，并不确认收到此报文段导致对端超时并重发

TCP 细节

报文结构

TCP 的基本传输单位是报文段 segment，其结构如下：

• 端口号是 16bit 的无符号数，每个TCP段都包含源端和目的端的端口号，用于寻找发端和收端应用进程。
  这两个值加上 IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址唯一确定一个TCP连接。

• 序号是 32bit 的无符号数，用来标识由发送端发出的数据字节流，它表示在这个报文段中的的第一个数据字节。 TCP用序号对每个字节进行计数。

• 确认序号也是 32bit 的无符号数，用于标识发送确认的一端所期望收到的下一个序号。确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。

• 首部长度给出首部中32bit字的数目。需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。然而，没有任选字段，正常的长度是20字节。这个字段占4bit，因此TCP最多有60字节的首部。

• 特殊标记位。它们中的多个可同时被设置为1。

  • URG 紧急指针
  • ACK 确认序号有效
  • PSH 接收方应该尽快将这个报文段交给应用层
  • RST 重建连接
  • SYN 同步序号用来发起一个连接
  • FIN 发端完成发送任务

• 窗口大小是一个16bit字段，其单位为字节，因而窗口大小最大为65535字节。发送端可以通过这个字段来声明接受窗口大小，告知对方自己期望接受的数据量，从而实现流量控制。

• 选项部分是用于支持 TCP 的一些扩展功能：数据分片、窗口放大、时间戳

数据分片与重组

路径MTU

目前最常见的局域网协是以太网Ethernet，其网络拓扑为总线型拓扑，即多个计算机共享同个信道。计算机要发送信息时，会通过共享线路将信息广播到其他计算机上。当多个计算机同时发送消息时，彼此之间会有干扰，导致数据发送失败。

因此以太网引入了一个冲突检测collision detection的功能，保证通过时刻只有一个计算机在网络上发送消息。

这造成了两个问题：

• 每次发送都要执行冲突检测，需要额外的通信开销（数据封装、设备资源）。如果每次只传输一个字节，传输性能会十分低下，因此应该尽可能减少传输次数，即一次尽可能传输更多的数据。

• 信道是共享的，同一时刻只能有一个计算机在发送消息。如果每次都传输完整的数据，那么其他计算机会等待很久才能响应，这对于一些实时通信任务来说是个噩梦。

以太网定义其基本的通信单位是数据帧 frame，其最基本的格式如下：

为了在效率与公平上达到一个平衡，以太网定义每个数据帧的最大为 1518。除去固定 14 字节的头部与 4 字节的尾部，数据负载的长度最多为 1500 字节。这个 1500 就是我们常说的以太网的最大传输单元 —— MTU。

[lhop@localhost ~]$ netstat -i
Kernel Interface table
Iface       MTU Met    RX-OK RX-ERR RX-DRP RX-OVR    TX-OK TX-ERR TX-DRP TX-OVR Flg
eth0       1500   0   947894      0      0      0   597731      0      0      0 BMRU
lo        65536   0        0      0      0      0        0      0      0      0 LRU

MTU 是由底层网络的特性所决定的，如果两台主机之间的通信要通过多个网络，那么每个网络的链路层就可能有不同的 MTU。通信路径中的最小 MTU，决定了整个通信链路的 MTU 上限，它被称作 路径MTU。

IP 分片

IP包头中用2个字节描述 IP 报文总长度，因此IP数据包的最大长度是64K字节(65535)。如果IP层有一个数据报要传，而且数据的长度比链路层的MTU还大，那么IP层就需要进行分片fragmentation，把数据报分成若干片并保证每一片都小于MTU。

IP层接收到一份要发送的IP数据报时，它要判断向本地哪个接口发送数据(选路)，并查询该接口获得其MTU。IP把MTU与数据报长度进行比较，如果需要则进行分片。

数据分片 可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。数据重组 由目的端的IP层来完成，其目的是使分片和重新组装过程对传输层 (TCP和UDP) 是透明的

当IP数据报被分片后，每一片都成为一个分组，具有自己的IP首部，并在选择路由时与其他分组独立。这样，当数据报的这些片到达目的端时有可能会失序，但是在IP首部中有足够的信息让接收端能正确组装这些数据报片。

尽管IP分片过程看起来是透明的，但有一点让人不想使用它：即使只丢失一片数据也要重传整个数据报。其原因如下：

如果对数据报分片的是中间路由器，而不是起始端系统，那么起始端系统就无法知道数据报是如何被分片的，无法只重传数据报中的一个数据报片。

传输层分片

当在以太网上传输数据时，TCP 协议在建立连接时，会根据以太网的 MTU 与 IP 层的头部长度来协商一个最大报文段长度 MSS = MTU - IP头部长度 = 1472。

• 发送端向 IP 层发送报文前，会按照 MSS 分割成多个报文段，然后逐个向 IP 层发送。
• 接收端从 IP 层接收到报文后，会将分片进行重组。

整个过程在传输层完成，避免了 IP 层的分片处理。

当使用 UDP 协议时，用户发送的报文会被原封不动的发送给 IP 层。

UDP包头内有总长度字段，同样为两个字节，因此UDP数据包的总长度被限制为 65535 从而保证这样恰好可以放进一个IP包内，简化了 UDP/IP 的实现。

当 IP 层需要发送大于 MTU 的数据报时，IP 层会对数据进行分片—重组处理。如果 UDP 数据报较大，并且网络状况较差的话，频繁的重传会造成传输效率的低下。

因此，使用 UDP 进行数据传输时，发送端最好将 UDP 数据报的大小控制在 MSS 以内。

到达确认与超时重传

前面说过，TCP 提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。而 IP 层本身不存在连接的概念，因此TCP 需要在进程间维护一个传输字节流的连接。此外，为了保证消息不会产生乱序，TCP 会为在连接中传输的每个字节分配一个唯一的序列号，用于保证字节直接的顺序不会被打乱。

三次握手

建立连接是由 Client 向 Server 发起的：

1. Client 会给 Server 发送一个 SYN 包
2. Server 每收到一个新的 SYN 包都会创建一个半连接，然后向 Client 发送 SYNACK 包
3. Client 在收到 Server 的 SYN/ACK 包后会发出 ACK，Server 收到该 ACK 后，三次握手就完成并产生了一个 TCP 全连接

在建立连接时，双方会在 SYN 报文中协商一个初始序号 ISN：

• 发送端每次发送新数据时，会递增这个序号seq，表示该报文段首字节的字节流编号。
• 接受方接收到报文后，会返回一个确认序号ack，表明这个序号之前的数据已经收到。

SYN 报文的特殊之处在于：

虽然其不附带有字节数据，但是其本身需要占用一个字节序号，因此 ACK 包中返回的确认序号需要在 ISN 的基础上递增一个字节。

四次挥手

断开连接可以由 Client 或 Server 任意一端发起，也可以双方同时发起：

• 主动关闭：主动向对端发送 FIN 包关闭链接，然后会接收 ACK
• 被动关闭：接收到对端的 FIN 包后再发送 FIN 包，也会向对端回 ACK

主动关闭方维持 TIME_WAIT 状态的意义：

最后发送的这个 ACK 包可能会被丢弃掉或者有延迟，这样对端就会再次发送 FIN 包。如果不维持 TIME_WAIT 这个状态，那么再次收到对端的 FIN 包后，本端就会回一个 Reset 包，这可能会产生一些异常

超时重传

前面提到，TCP 数据报可能会在传输过程中丢失：

• 发送方发送的分组丢失
• 接收方响应确认的分组丢失

上面两种丢失情况，对于发送方来说结果是相同的：接收不到确认分组。因此 TCP 引入了超时重传机制来解决报文丢失的问题：

发送端每发送一个报文段，TCP会为其保留一个副本并设定一个计时器并等待确认信息。如果计时器超时，而发送的报文段中的数据仍未得到确认，则重传这一报文段，直到发送成功为止。

影响超时重传机制协议效率的一个关键参数是重传超时时间 RTO:

• RTO 过大将会使发送端经过较长时间的等待才能发现报文段丢失，降低了连接数据传输的吞吐量
• RTO 过小可能将一些延迟大的报文段误认为是丢失，造成不必要的重传，浪费了网络资源

TCP协议采用自适应算法记录数据包的往返时延 RRT，并根据往返时延设定 RTO 的取值：

RTT = 传播时延 + 排队时延（路由器和交换机）+数据处理时延（应用程序）

一般来说，RTO 的取值会略大于 RTT 以保证数据包的正常传输。

拥塞窗口与接收窗口

拥塞窗口

在实际的应用中，一个 TCP 连接传输数据时不可能独占网络，因此网络的可用带宽是动态变化的。为了最大化的利用网络带宽，TCP 实现了一个动态调整传输速率的拥塞控制机制：

• 网络空闲时提升传输速度，提高数据传输效率
• 网络拥塞时降低传输速度，避免丢包触发不必要的超时重传

该机制的核心是发送端的拥塞窗口：

在发送端设置一个大小为 cwnd 发送窗口结构，cwnd 根据网络的拥塞情况（TCP 重传率）动态变化，发送端只能发送小于或等于拥塞窗口大小的数据。

拥塞控制是 TCP 协议的核心，并且对传输性能有着至关重要的影响。其中一个著名的拥塞算法是 TCP Reno，大致可将其分为 4 个阶段:

• 慢启动：

TCP 连接建立好后，发送方就进入慢速启动阶段。
初始时 cwnd 为 1，然后逐渐地增大发包数量。这个阶段每经过一个 RTT，发包数量就会翻倍，直到 cwnd 增大到一个阈值 ssthreshold（该阶段的 cwnd 以指数形式增长）

• 拥塞避免：

当 cwnd 增大到 ssthreshold 后 TCP 就进入了拥塞避免阶段。
在这个阶段 cwnd 不再成倍增加，而是一个 RTT 增加 1，即缓慢地增加 cwnd，以防止网络出现拥塞（该阶段的 cwnd 线性增长）

• 快速重传 / 超时重传：

随着传输速率的不断上升，丢包是难以避免的，针对不同的丢包场景，TCP 引入了两种重传策略:

• 超时重传
  发送端超过 RTO 后仍然收不到 ack 响应，会据此判断此时网络已经出现了拥塞：

  1. ssthreshold = cwnd / 2
  2. cwnd = 1
  3. 进入慢启动阶段

• 快速重传
  发送端连续收到 3 个重复的 ack 序号后，会据此判断数据包出现了丢失，但此时网络未出现拥塞情况（拥塞窗口不必恢复到初始值）：

  1. cwnd = cwnd / 2
  2. ssthreshold = cwnd
  3. 进入快速恢复阶段

• 快速恢复：

快速重传阶段检测到报文丢失后，会进入快速恢复阶段，立即重传丢失的数据段而无需等待 RTO 超时：

• cwnd = cwnd + 3 * MSS
• 重传数据
• 再每收到一个重复ACK，cwnd = cwnd + 1
• 直到收到不重复ACK，设置cwnd = ssthreshold，进入拥塞避免阶段

接收窗口

除了网络状况外，发送方还需要知道接收方的处理能力。如果接收方的处理能力差，那么发送方就必须要减缓它的发包速度。接收方的处理能力是通过接收窗口 rwnd 来表示的：

• 接收方在收到数据包后，会给发送方回一个 ack，并后把自己的 rwnd 大小写入到 TCP 头部的 win 这个字段，这样发送方就能根据这个字段来知道接收方的 rwnd
• 发送方在发送下一个 TCP 数据报的时候，会先对比发送方的 cwnd 和接收方的 rwnd，得出这二者之间的较小值，然后控制发送的数据量不能超过这个较小值

rwnd 的最大值由最大接收缓冲区空间确定，并且用户可以动态指定每个 TCP 连接的接收缓冲大小。然而 TCP 头部中的 win 这个字段只有 16bit，能够表示的大小最大只有 65535（64K）。为了支持更大的接收窗口rwnd以满足高性能网络，TCP 提供了窗口缩放选项 WSopt 来突破这一限制。

此外，针对一些 RTT 较大的高带宽网络，提高 rwnd 有助于提升传输效率，为此 TCP 引入了能够根据网络状况自动调整接收缓存的算法，这种自动调整技术也称为 DRS (Dynamic Right-Sizing)。

参考资料：

• https://time.geekbang.org/column/article/286494
• https://www.cnblogs.com/glsy/p/8605848.html
• https://www.cnblogs.com/NerdWill/p/5020885.html