面试：TCP、UDP如何解决丢包问题

文章目录

一、TCP丢包原因、解决办法

  • 1.1 TCP为什么会丢包

  • 1.2 TCP传输协议如何解决丢包问题

  • 1.3 其他丢包情况（拓展）

  • 1.4 补充

    • 1.4.1 TCP端口号
    • 1.4.2 多个TCP请求的逻辑
    • 1.4.3 处理大量TCP连接请求的方法
    • 1.4.4 总结

二、UDP丢包

  • 2.1 UDP协议

    • 2.1.1 UDP简介
    • 2.1.2 UDP协议特点
    • 2.1.3 基于UDP实现的用户层协议
    • 2.1.4 TCP与UDP的区别

  • 2.2 UDP丢包原因

  • 2.3 如何解决UDP丢包问题

一、TCP丢包原因、解决办法

TCP是基于不可靠的网络实现可靠的传输，肯定也会存在掉包的情况，如果通信中发现缺少数据或者丢包，那么，最大的可能在于程序发送的过程或者接收的过程出现问题。

例如服务端要给客户端发送大量数据，Send频率很高，那么就很有可能在Send环节出现错误（1.程序处理逻辑错误，2.多线程同步问题，3.缓冲区溢出等），如果没有对Send发送失败做处理，那么客户端收到的数据比理论要收到的数据少，就会造成丢数据，丢包现象。

1.1 TCP为什么会丢包

TCP协议（Transimission Control Protocol）是以一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

TCP是基于不可靠的网路实现可靠传输，肯定会存在丢包问题。

如果在通信过程中，发现缺少数据或者丢包，那边么最大的可能性是程序发送过程或者接受过程中出现问题

例如：我有2台服务器 ，A和B服务器。A服务器发送数据给B服务器频率过高时，B服务器来不及处理，造成数据丢包。(原因可能是程序逻辑问题，多线程同步问题，缓冲区溢出问题)。

如果A服务器不对发送频率进行控制，或者数据进行重发的话，那么B服务器收到数据就会少。就会造成丢失数据

1.2 TCP传输协议如何解决丢包问题

为了保障传输可靠性，TCP协议本身有如下规定：

  1. 基于数据块传输/数据分片：应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块，再传输给网络层，数据块被称为报文段或段。
  2. 对失序数据包重新排序以及去重：TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序列号，有了序列号能够将接收到的数据根据序列号排序，并且去掉亚复序列号的数据就可以实现数据包去重。
  3. 校验和：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。如果收到段的检验和有差错，TCP 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
  4. 重传机制：在数据包丢失或延迟的情况下，重新发送数据包，直到收到对方的确认应答（ACK）。TCP重传机制主要有：基于计时器的重传（也就是超时重传）、快速重传（基于接收端的反馈信息来引发重传）、SACK（在快速重传的基础上，返回最近收到的报文段的序列号范围，这样客户端就知道，哪些数据包已经到达服务器了）、D-SACK（重复SACK，在SACK的基础上，额外携带信息，告知发送方有哪些数据包自己重复接收了）。关于重传机制的详细介绍，可以查看详解TCP超时与重传机制这篇文章。
  5. 流量控制（滑动窗口）：TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间，TCP的接收端只允许发送端发送接收端缓冲区能接纳的数据。当接收方来不及处理发送方的数据，能提示发送方降低发送的速率，防止包丢失。TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议（TCP利用滑动窗口实现流量控制）。
  6. 拥塞控制（慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复）：当网络拥塞时，减少数据的发送。TCP在发送数据的时候，需要考虑两个因素：一是接收方的接收能力，二是网络的拥塞程度。接收方的接收能力由滑动窗口表示，表示接收方还有多少缓冲区可以用来接收数据。网络的拥塞程度由拥塞窗口表示，它是发送方根据网络状况自己维护的一个值，表示发送方认为可以在网络中传输的数据量。发送方发送数据的大小是滑动窗口和拥塞窗口的最小值，这样可以保证发送方既不会超过接收方的接收能力，也不会造成网络的过度拥塞。
  7. 自主重传ARQ（停止等待ARQ、连续ARQ）：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，超时重传

关于TCP如何保障传输可靠性，可查阅 计算机网络常见面试题（一）：TCP/IP五层模型、TCP三次握手、四次挥手，TCP传输可靠性保障、ARQ协议

1.3 其他丢包情况（拓展）

按理说，TCP协议经过处理、已能保障传输可靠性，但是IP协议是不可靠、无连接的，以下情况仍有可能会丢包：

  • 服务端要给客户端发送大量数据时，Send频率很高，Send环节可能出现错误（程序处理逻辑错误、多线程同步问题、缓冲区溢出等）
  • 有大量TCP连接请求
  • 网络较差（譬如握手过程中丢包） ：TCP 本身具有重传机制，但在极端情况下，丢包仍然可能发生

对应解决方案如下：

1、服务端要给客户端发送大量数据时，Send频率很高，Send环节可能出现错误（程序处理逻辑错误、多线程同步问题、缓冲区溢出等）

  • 对Send失败做处理

2、有大量TCP连接请求

  • 优化服务器配置、使用高效的 I/O 处理机制（多线程、多进程、事件驱动模型、异步IO）、负载均衡和合理管理连接，提高服务器的并发处理能力和稳定性
  • 具体见本文1.4.3小节

3、网络较差（譬如握手过程中丢包） ：TCP 本身具有重传机制，但在极端情况下，丢包仍然可能发生

（1）调整TCP参数

  • 增加重传次数和超时时间：可以通过调整内核参数来增加 TCP 的重传次数和超时时间，以提高在网络不稳定情况下的可靠性
# 增加重传次数
sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_retries2=15

# 增加超时时间
sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_fin_timeout=30
  • 调整拥塞控制算法：选择合适的拥塞控制算法可以改善网络性能。Linux 提供了多种拥塞控制算法，如 reno、cubic、bbr 等
# 查看当前使用的拥塞控制算法
sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control

# 设置为 BBR（ Bottleneck Bandwidth and RTT）
sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_congestion_control=bbr

（2）使用TCP快速重传和恢复

  • 快速重传：快速重传允许发送方在接收到三个重复的 ACK 后立即重传丢失的段，而不是等待重传计时器到期
# 开启快速重传
sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_frto=2
  • 快速恢复：快速恢复是在快速重传之后的一种机制，旨在更快地恢复连接

（3）使用TCP快速打开

TCP 快速打开（TCP Fast Open，简称 TFO）是一种优化 TCP 连接建立过程的技术。传统的 TCP 连接建立需要三次握手（SYN, SYN-ACK, ACK），而在某些情况下，这三次握手会导致额外的延迟。TCP 快速打开允许客户端在第一次 SYN 包中携带数据，从而减少了一次往返时间（RTT），提高了连接建立的速度。

TCP 快速打开的工作原理

  • 客户端发送 SYN 包：客户端在发送 SYN 包时，不仅包含 SYN 标志，还携带了数据。
  • 服务器响应 SYN-ACK 包：服务器在响应 SYN-ACK 包时，也包含对客户端数据的确认。
  • 客户端发送 ACK 包：客户端发送 ACK 包，同时可以继续发送更多数据。
  • 数据传输：连接建立完成，双方可以立即开始数据传输。

TCP 快速打开（TCP Fast Open）可以减少建立连接的时间，从而减少丢包的可能性。

# 开启 TCP 快速打开
sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_fastopen=3

参数3的含义是：客户端和服务器都支持 TFO、客户端可以发送 TFO 请求、服务器可以接受 TFO 请求

（4）优化网络设备和驱动、调整网络设备参数

可以通过调整网络设备的参数来优化性能，例如增加接收缓冲区大小。

# 增加接收缓冲区大小
sudo ethtool -G eth0 rx 4096

（5）使用网络监控工具

使用网络监控工具（如 Wireshark、tcpdump）来监控和分析网络流量，及时发现和解决问题。

# 使用 tcpdump 抓包
sudo tcpdump -i eth0 -w capture.pcap

1.4 补充

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP 端口是用于标识网络应用的逻辑地址。每个 TCP 连接由源 IP 地址、源端口号、目标 IP 地址和目标端口号唯一标识。

  • 端口号：是一个 16 位的数字，范围从 0 到 65535。其中，0-1023 是众所周知的系统端口，通常由系统进程使用；1024-49151 是注册端口，可以被用户进程使用；49152-65535 是动态或私有端口，通常由操作系统自动分配。

1.4.1 TCP端口号

TCP（传输控制协议）端口号是一个 16 位的数字，用于标识网络应用程序的逻辑地址。每个 TCP 连接由四个部分唯一标识：

  • 源 IP 地址
  • 源端口号
  • 目标 IP 地址
  • 目标端口号

端口号的范围是从 0 到 65535，其中：

  • 0-1023：熟知端口，通常由系统进程使用。
  • 1024-49151：注册端口，可以被用户进程使用。
  • 49152-65535：动态或私有端口，通常由操作系统自动分配。

1.4.2 多个TCP请求的逻辑

当有多个 TCP 请求时，这些请求并不一定都使用同一个端口。实际上，每个连接都有唯一的四元组（源 IP 地址、源端口号、目标 IP 地址、目标端口号）来区分。

1）服务器端口

服务器通常监听一个固定的端口，例如 HTTP 服务通常监听 80 端口，HTTPS 服务通常监听 443 端口。当客户端发起连接请求时，服务器的监听端口会接受连接请求，并为每个连接分配一个新的端口。

2）客户端端口

客户端发起连接时，操作系统会为每个连接分配一个临时端口（通常是动态端口，范围在 49152-65535 之间）。这个临时端口在连接期间是唯一的。

3）示例说明

假设有一个 Web 服务器监听 80 端口，两个客户端分别从不同的 IP 地址发起连接：

  • 客户端 A：IP 地址 192.168.1.1，操作系统为其分配临时端口 50000
  • 客户端 B：IP 地址 192.168.1.2，操作系统为其分配临时端口 50001

服务器接收到这两个连接请求后，会为每个连接分配一个新的端口：

  • 连接 1：(192.168.1.1:50000, 服务器 IP:80)
  • 连接 2：(192.168.1.2:50001, 服务器 IP:80)

尽管服务器监听的是同一个端口（80），但由于每个连接的四元组不同，服务器可以区分这些连接并同时处理它们。

1.4.3 处理大量TCP连接请求的方法

当有大量 TCP 连接请求时，服务器需要采取一些措施来有效地管理和处理这些连接，以保证系统的性能和稳定性。以下是一些常见的处理方法：

1. 使用高性能服务器

  • 多核处理器：使用多核处理器可以提高服务器的并发处理能力。
  • 高内存：增加服务器的内存容量，以支持更多的连接和更大的缓存。

2. 优化网络配置

  • 调整内核参数：优化 Linux 内核参数，如 net.core.somaxconn（最大监听队列长度）、net.ipv4.tcp_max_syn_backlog（SYN 队列长度）、net.ipv4.tcp_fin_timeout（FIN 超时时间）等。
  • 使用 TCP 快速打开：启用 TCP 快速打开（TCP Fast Open）可以减少建立连接的时间。

3. 使用连接池

  • 连接复用：使用连接池技术，复用已建立的连接，减少连接建立和断开的开销。
  • 连接池管理：合理管理连接池的大小，避免过多的空闲连接占用资源。

4. 服务器端优化

  • 多线程模型：使用多线程模型，每个线程处理一部分连接。

  • 多进程模型：每个连接由一个独立的进程处理。这种方法可以利用多核处理器的优势，但进程间的通信和资源管理较为复杂。

  • 事件驱动模型：使用事件驱动模型（如 epoll、kqueue），高效处理大量的 I/O 事件。这种方法可以高效地处理大量连接，适用于高并发场景

  • 异步 I/O框架：使用异步 I/O 模型，如 Node.js、Python 的 asyncio，可以在单个线程中处理多个连接，提高并发处理能力。

5. 负载均衡

  • 反向代理：使用反向代理服务器（如 Nginx、HAProxy）将请求分发到多个后端服务器，分散负载。
  • 集群：构建服务器集群，通过负载均衡算法将请求分发到不同的节点。

6. 限制连接速率

  • 限流：使用限流算法（如令牌桶、漏桶）限制客户端的连接速率，防止突发流量冲击。
  • 连接超时：设置合理的连接超时时间，及时关闭不活跃的连接。

7. 优化应用程序

  • 减少响应时间：优化应用程序的逻辑，减少每个请求的处理时间。
  • 缓存：使用缓存机制，减少对后端数据库的访问频率。
  • 异步处理：将耗时的操作异步处理，提高响应速度。

1.4.4 总结

  • TCP 端口号：用于标识网络应用程序的逻辑地址，每个连接由四元组（源 IP 地址、源端口号、目标 IP 地址、目标端口号）唯一标识。
  • 多个 TCP 请求：服务器监听一个固定端口，但每个连接都会分配一个唯一的四元组，因此可以同时处理多个连接。
  • 处理大量 TCP 连接请求：优化服务器配置、使用高效的 I/O 处理机制（多线程、多进程、事件驱动模型、异步IO）、负载均衡和合理管理连接，提高服务器的并发处理能力和稳定性
  • 其他丢包情况
    • 服务端要给客户端发送大量数据时，Send频率很高，Send环节可能出现错误（程序处理逻辑错误、多线程同步问题、缓冲区溢出等） ——对Send失败做处理
    • 有大量TCP连接请求 ——优化服务器配置、使用高效的 I/O 处理机制（多线程、多进程、事件驱动模型、异步IO）、负载均衡和合理管理连接，提高服务器的并发处理能力和稳定性
    • 网络较差（譬如握手过程中丢包） ：TCP 本身具有重传机制，但在极端情况下，丢包仍然可能发生 ——调整TCP参数、使用TCP快速重传和恢复、使用TCP快速打开、优化网络设备和驱动、调整网络设备参数、使用网络监控工具

二、UDP丢包

2.1 UDP协议

2.1.1 UDP简介

  • UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的传输层协议，它提供了一种简单的、不可靠的数据传输服务。
  • UDP 提供了不面向连接的通信，且不对传送的数据报进行可靠的保证，适用于一次传送少量的数据，不适用于传输大量的数据。
  • UDP属于网络协议栈中的传输层协议，直接负责数据的传输和接收

2.1.2 UDP协议特点

  • 无连接：两台主机在使用UDP进行数据传输时，不需要建立连接，只需知道对端的IP和端口号即可把数据发送过去。
  • 不可靠：UDP协议没有确认重传机制，如果因为网络故障导致报文无法发到对方，或者对方收到了报文，但是传输过程中乱序了，对方校验失败后把乱序的包丢了，UDP协议层也不会给应用层任何错误反馈信息。（在网络中，“不可靠”是个中性词，因为可靠就意味着要付出更多的代价去维护可靠，实现起来会复杂很多；而“不可靠”的话，实现起来会更简单）
  • 面向数据报：UDP传输数据时，是以数据报文为单位一个个地发出去，然后一个个地接收的，这导致上面应用层无法灵活控制数据数据的读写次数和数量。

2.1.3 基于UDP实现的用户层协议

  • NFS：网络文件系统
  • TFTP：简单文件传输协议
  • DHCP：动态主机配置协议
  • BOOTP：启动协议(用于无盘设备启动)
  • DNS：域名解析协议

2.1.4 TCP与UDP的区别

TCP UDP
面向连接 无连接
提供可靠服务 不保证可靠交互
有状态 无状态
面向字节流 面向报文
传输效率较慢 传输效率较快
有拥塞控制 没有拥塞控制
每一条TCP连接只能是stron 支持一对一、一对多、多对一、多对多
首部开销20字节 首部开销8字节

2.2 UDP丢包原因

1、接收端处理时间过长导致丢包：

调用recv方法接收端收到数据后，处理数据花了一些时间，处理完后再次调用recv方法，在这二次调用间隔里,发过来的包可能丢失。对于这种情况可以修改接收端，将包接收后存入一个缓冲区，然后迅速返回继续recv。

2、发送的包巨大丢包：

虽然send方法会帮你做大包切割成小包发送的事情，但包太大也不行。例如超过50K的一个udp包，不切割直接通过send方法发送也会导致这个包丢失。这种情况需要切割成小包再逐个send。

3、发送的包较大，超过接受者缓存导致丢包：

包超过mtu size数倍，几个大的udp包可能会超过接收者的缓冲，导致丢包。这种情况可以设置socket接收缓冲。以前遇到过这种问题，我把接收缓冲设置成64K就解决了。

4、发送的包频率太快：

虽然每个包的大小都小于mtu size 但是频率太快，例如40多个mut size的包连续发送中间不sleep，也有可能导致丢包。这种情况也有时可以通过设置socket接收缓冲解决，但有时解决不了。所以在发送频率过快的时候还是考虑sleep一下吧。

5、局域网内不丢包，公网上丢包：

这个问题我也是通过切割小包并sleep发送解决的。如果流量太大，这个办法也不灵了。总之udp丢包总是会有的，如果出现了用我的方法解决不了，还有这个几个方法： 要么减小流量，要么换tcp协议传输，要么做丢包重传的工作。

2.3 如何解决UDP丢包问题

1.发送频率过高导致丢包

很多人会不理解发送速度过快为什么会产生丢包，原因就是UDP的SendTo不会造成线程阻塞，也就是说，UDP的SentTo不会像TCP中的SendTo那样，直到数据完全发送才会return回调用函数，它不保证当执行下一条语句时数据是否被发送（SendTo方法是异步的）。这样，如果要发送的数据过多或者过大，那么在缓冲区满的那个瞬间要发送的报文就很有可能被丢失。至于对“过快”的解释，作者这样说：“A few packets a second are not an issue; hundreds or thousands may be an issue.”（一秒钟几个数据包不算什么，但是一秒钟成百上千的数据包就不好办了）。

要解决接收方丢包的问题很简单，首先要保证程序执行后马上开始监听（如果数据包不确定什么时候发过来的话），其次，要在收到一个数据包后最短的时间内重新回到监听状态，其间要尽量避免复杂的操作（比较好的解决办法是使用多线程回调机制）。

2.报文过大丢包

至于报文过大的问题，可以通过控制报文大小来解决，使得每个报文的长度小于MTU。以太网的MTU通常是1500 bytes，其他一些诸如拨号连接的网络MTU值为1280 bytes，如果使用speaking这样很难得到MTU的网络，那么最好将报文长度控制在1280 bytes以下。

3.发送方丢包

发送方丢包：内部缓冲区（internal buffers）已满，并且发送速度过快（即发送两个报文之间的间隔过短）； 接收方丢包：Socket未开始监听； 虽然UDP的报文长度最大可以达到64 kb，但是当报文过大时，稳定性会大大减弱。这是因为当报文过大时会被分割，使得每个分割块（翻译可能有误差，原文是fragmentation）的长度小于MTU，然后分别发送，并在接收方重新组合（reassemble），但是如果其中一个报文丢失，那么其他已收到的报文都无法返回给程序，也就无法得到完整的数据了。

面试：TCP/UDP如何解决丢包问题？、【网络】UDP协议

posted @ 2024-11-07 13:16  BJRA  阅读(25)  评论(0)  编辑  收藏  举报