TCP协议

TCP详解

1、前言

传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。

2、TCP详解

2.1TCP报文头部

来源连接端口（16bit）\目的连接端口（16bit）：计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个

序列号码（seq，32bit）：

如果含有同步化旗标（SYN），则此为最初序列号；第一个数据比特的序列号为本序列加1。

如果没有同步化旗标（SYN），则此为第一个数据比特的序列码。

确认号码（ack，32bit）：期望收到的数据的开始序列号，也即是接收端收到的数据的字节长度加1。

数据偏移（4bit）：表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。它指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远。该字段的单位是32位(即4个字节为计算单位），4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节。

保留（3bit）：置0

NS（ECN-nonce，ECN显式拥塞通知（Explicit Congestion Notification））：是对TCP的扩展，定义于RFC 3540第5节；ECN允许拥塞控制的端对端通知而避免丢包。ECN为一项可选功能，如果底层网络设备支持，则可能被启用ECN的两个端点使用。当有序数据包到达时，ECN-nonce接收器会维护随机数的和，并在每个确认中返回当前的随机数的和。在标记分组的情况下，接收机可能不知道一个或多个随机数值，在这种情况下，当计算总和时，接收端将忽略丢失的随机数值，并将ECN-Echo置位向发送端发出阻塞信号。

CWR（Congestion Window Reduced,减少拥塞窗口）：当具有ECN功能的TCP发送方处于某种原因（由于重传超时、快速重传或相应ECN通知）减少其拥塞窗口时，TCP发送方会在第一个新数据的TCP头部中设置CWR标识后，减少其随后发送的报文。如果该报文在网络中被丢弃，则发送方的TCP将不得不再次减少拥塞窗口，并重新发送丢弃的数据包。（RFC 3168）

ECE（ECN-Echo）：发送端在接收到ECE置位的TCP包时，发送端会将CWR进行置位，以确认接收到ECN-echo标识并对其做出反应。（RFC 3168）

（注：

在两端协商建立ECN关系时，发送方A将CWR与ECE同时置位，形成ECN SYN包并发送给接收方B；接收方B在接收到ECN SYN包时，只将ECE位置位，CWR不置位，形成ECN SYN-Ack包发送给发送方A。

在发生拥塞时，接收端B在接收到一组TCP包，计算ECN-nonce接收器中随机数总和，并与确认包中的随机数总和进行比较，如果两个数值不一样，则发送端A端判断发生拥塞，会将发送给发送端的第一个TCP包中ECE进行置位；在发送端A接收到这个ECE位被置位的数据包之后，它会将CWR进行置位，并发送给你接收端B；在接收端B接收到一个CWR置位的数据包，它会减少向发送端A的数据包发送。）

USG：标识紧急指针是否有效

ACK：标识确认序号是否有效

PSH：用来标识接收端应用程序立刻将数据从TCP缓冲区读取

RST：要求重新建立连接，我们把还有RST标识的报文称为复位报文段

SYN：发出建立连接，我们把还有SYN标识的报文称为同步报文段

FIN：通知对端，本段即将关闭，我们把含有FIN标识的报文称为结束报文段

窗口大小：占用16bit，表示从确认号开始，本报文的发送方可以接收的字数，即接收窗口大小，用于流量控制。窗口大小为滑动计算，由Window size value * Window size scaling factor（此值在三次握手阶段TCP选项Windowscale协商得到）得出此值。

校验和：占用16bit，由发送端填充，检验形式有CRC校验等，如果接收端校验不通过，则认为数据有问题，此处的校验和不光包含TCP首部，也包含TCP数据部分，以16位字进行计算所得，这是一个强制字段。

紧急指针：占用16bit，用来标识数据哪个部分有问题，只在USG位被置位时使用。

选项：最多40字节。每个选项的开始时1字节的kind字段，说明选项的类型

0：选项表结束（1字节）

1：无操作（1字节），用于选项字段之间的字边界对齐

2：最大报文长度（4字节，Maximum Segment Size，MSS）通常在创建连接而设置SYN标识的数据包中指明这个选项，指明本段所能接受的最大的报文段。通常将MSS设置为（MTU-40）字节，携带TCP报文段的IP数据包的长度就不会超过MTU（MTU最大长度为1518字节，最短位为64字节），从而避免本机发生IP分片，只能出现在同步报文段中，否则将被忽略。

MTU和MSS值的关系：MTU=MSS+IP Header+TCP Header

通信双方最终的MSS值=较小MTU-IP Header-TCP Header

3：窗口扩大因子（4字节，wscale）,取值0-14.用来把TCP的窗口的值左移的位数，使窗口值乘倍。只能出现在同步报文段中，否则将被忽略。这是因为现在的TCP接收数据缓冲区（接收窗口）的长度通常大于65535字节。

4：sackOK，发送端支持并同意使用SACK选项

5：SACK实际工作的选项

6：时间戳（10字节，TCP Timestamps Option，TSopt）

发送端的时间戳（Timestamp Value field，TSval，4字节）

时间戳回显应答（Timestamp Echo Reply field，TSecr，4字节）

 

2、连接管理机制

正常情况下，TCP需要经过三次握手建立连接，四次挥手端口连接。

2.1TCP建立连接

三次握手过程，如下图：

详细经过：

刚开始，客户端与服务器都处于CLOSED状态；此时，客户端向服务器主动发出连接，服务器被动接收连接：

1）TCP服务器进程先创建传输控制模块TCB，时刻准备接收客户端进程的连接，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态

2）TCP客户端进程也是先创建传输控制模块TCB，然后向服务器发出连接报文，此时报文首部中的同步表示位SYN=1，同时选择一个初始序列号seq=x，此时，TCP客户端进程进入SYN-SENT（同步已发送）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。

3）TCP服务器收到连接报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中的ACK=1，SYN=1，确认序号是x+1，同时选择一个初始序列号seq=x，此时，TCP服务器进程进入SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但同样要消耗一个序号。

4）在TCP客户端进程收到确认包后，还要向服务器给出确认收到SYN-ACK的确认包。确认报文的AC=1，确认序列号=y+1，自己的序列号=x+1。

5）此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。当服务器收到客户端的确认后也进去ESTABLISHED状态，此后双方就可以进行数据传输。

 

问题一：为什么不用两次握手，建立连接？

答：假想一下，如果我们去掉第三次握手？因为我们不进行第三次握手，所以在服务端对客户端进行回应（第二次握手）后，就会理所当然的认为连接已建立，而如果客户端没有收到服务端的这次回应，那么，客户端会认为连接没有建立，但是服务端会对之前的连接保存一定的系统资源，如果出现大量的情况，那么服务端就会因为系统资源耗尽，而导致会崩溃。

 

问题二：为什么不是四次？

答：因为在TCP通过三次握手后，客户端和服务端至少可以确认之前的情况，但是无法确定之后的情况，基于此理论，无论4次还是5次都是无法确定的该报是否已经收到，所以即便再多的握手包也都是徒劳的。

 

2.2TCP断开连接

四次挥手过程，如下图：

模式一：

 

详细过程：

数据传输完毕后，双方都可以释放连接，此时客户端和服务器都处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动断开连接，服务器被动断开连接。

1）客户端进程发出释放连接报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。TCP规定，FIN报文段计是不携带数据，也要消耗一个序号。

2）服务器收到释放连接报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并带上自己的序号seq=v，此时，服务端进入CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送，但是服务器若发送数据，客户端依然要接收。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

3）客户端收到服务器的确认断开连接后，此时客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需接受服务器发送的最好的数据报文）。

4）服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号位seq=w，此时，服务器就进入LAST-ACK（最后确认），等待客户端的确认。

5）客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1,而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP还没有释放，必须经过2*MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。

6）服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态，同时，撤销进程产生的TCB，这就结束了这次TCP的连接。服务端会比客户端提早结束这次TCP连接。

 

模式二：

数据传输完毕后，双方都可以释放连接，此时客户端和服务器都处于ESTABLISHED状态，然后双方都主动断开。

1）两端同时向对端传送释放连接报文，并停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，ACK=1，序列号分seq别是c与s，此时两端同时进入FIN-WAIT-1（种植等待1）状态。

2）在两端分别收到了对端发送自己的释放连接报文后，并发出确认报文。确认数据报文首部，ACK=1，ack分别时s+1和c+1，并携分别带自己的自己的序列号seq是c+1和s+1，并且自己的状态转换为CLOSING（双方同时尝试关闭，等待确认）状态。

3）在两端收到对端的确认报文之后，状态从CLOSING（双方同时尝试关闭，等待确认）状态，转变为TIME-WAIT（时间等待）状态，此时需要经过2*MSL（最长报文段寿命）的使时间后，双方分别撤销了相应的TCB后，双方才会进入CLOSED状态。

 

3、有限TCP状态机

TCP协议的操作可以使用11钟状态的有限状态机。

CLOSED：关闭状态，没有链接活动或正在进行

LISTEN：监听状态，服务器正在等待连接进入

SYN_SENT：已发出链接报文，等待确认。

SYN_RCVD：收到一个链接报文，并已发出确认链接报文，尚未确认对方是否已收到。

ESTABLISHED：链接建立，正常数据传输状态。

FIN_WAIT_1：（主动关闭）已发送关闭连接报文，等待确认

FIN_WAIT_2：（主动关闭）收到对方关闭确认，等到对方关闭连接报文

TIMED_WAIT：完成双向关闭，等待2*MSL（最长报文时间）

CLOSING：在发出FIN后，又收到对方发送给的FIN后，进入等待对方对己方的连接终止（FIN）的确认（ACK）的状态。

CLOSE_WAIT：（被动关闭）收到对方关闭请求，已经确认

LAST_ACK：（被动关闭）等待最后一个关闭确认，并等待所有分组死掉

 

4、客户端得典型状态转移

1、客户端通过connect系统调用主动与服务器建立连接connect系统调用首先给服务器发送一个同步报文段，使连接转移到SYN_SENT状态

此后connect系统调用可能因为如下两个原因失败返回：

1）如果connect连接的目标端口不存在（未被任何进程监听），或者该端口仍被处于TIME_WAIT状态的连接所占用，则服务器将给客户端发送一个复位报文段，connect调用失败。

2）如果目标端口存在，但connect在超时时间内未收到服务器的确认报文段，则connect调用失败。

2、connect调用失败将使连接立即返回到初始的CLOSED状态。如果客户端成功收到服务器的同步报文段和确认，则connect调用成功返回，连接转移至ESTABLISHED状态。

3、当客户端执行主动关闭时，它将向服务器发送一个结束报文段，同时连接进入FIN_WAIT_1状态。若此时客户端收到服务器专门用于确认目的的确认报文段，则连接转移至FIN_WAIT_2状态。当客户端处于FIN_WAIT_2状态时，服务器处于CLOSE_WAIT状态，这一对状态是可能发生半关闭的状态。此时如果服务器也关闭连接（发送结束报文段），则客户端将给予确认并进入TIME_WAIT状态

4、客户端从FIN_WAIT_1状态可能直接进入TIME_WAIT状态（不经过FIN_WAIT_2状态），前提是处于FIN_WAIT_1状态的服务器直接收到带确认信息的结束报文段（而不是先收到确认报文段，再收到结束报文段）。

5、处于FIN_WAIT_2状态的客户端需要等待服务器发送结束报文段，才能转移至TIME_WAIT状态，否则它将一直停留在这个状态。如果不是为了在半关闭状态下继续接收数据，连接长时间地停留在FIN_WAIT_2状态并无益处。连接停留在FIN_WAIT_2状态的情况可能发生在：客户端执行半关闭后，未等服务器关闭连接就强行退出了。此时客户端连接由内核来接管，可称之为孤儿连接（和孤儿进程类似）

 

5、TCP重传超时

1）异常网络状况下（开始出现超时或丢包），TCP控制数据传输以保证其承诺的可靠服务；

2）TCP服务必须能够重传超时时间内未收到确认的TCP报文段。为此，TCP模块为每个TCP报文段都维护一个重传定时器，该定时器在TCP报文段第一次被发送时启动。如果超时时间内未收到接收方的应答，TCP模块将重传TCP报文段并重置定时器。至于下次重传的超时时间如何选择，以及最多执行多少次重传，就是TCP的重传策略；

3）与TCP超时重传相关的两个内核参数：

/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1，指定在底层IP接管之前TCP最少执行的重传次数，默认值是3

/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2，指定连接放弃前TCP最多可以执行的重传次数，默认值15（一般对应13～30min）

 

6、拥塞控制

1）网络中的带宽、交换结点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可承受的能力，网络的性能就会变坏。此情况称为拥塞。

2）TCP为提高网络利用率，降低丢包率，并保证网络资源对每条数据流的公平性。即所谓的拥塞控制。

3）TCP拥塞控制的标准文档是RFC 5681，其中详细介绍了拥塞控制的四个部分：慢启动（slow start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快速重传（fast retransmit）和快速恢复（fast recovery）。拥塞控制算法在Linux下有多种实现，比如reno算法、vegas算法和cubic算法等。它们或者部分或者全部实现了上述四个部分。

 4）当前所使用的拥塞控制算法

/proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control

 

7、KeepAlive包

        TCP的KeepAlive是侧重于保持客户端和服务器的连接，一方会定期发送心跳包给另一方，当一方断掉的时候，没有断掉的定时发送几个心跳包，如果间隔发送几次，对方都返回的RST，而不是ACK，那么就释放当前连接。假想一下，如果TCP层没有keepAlive的机制，当一方断开连接却没有发送FIN给另外一方，那么另外一方会认为这个连接还是存在的，，类似的连接一多，时间一长，那么这对服务器资源是一种很大的影响。

7.2 为什么要有keepAlive？

        首先明确，在TCP是没有“请求”一说。TCP是一种通信的方式，“请求”一词是事务上的概念。在TCP连接建立之后，如果应用程序或者承载在TCP上面的协议一直不发送数据，或者隔很长时间才发送一次数据，当链接很久没有数据报文传输时，如何确定对方还在线？对方到底掉线了还是没有数据传输，链接还需不需要保持？这种情况在TCP协议设计中时需要考虑的。

       TCP协议通过一种巧妙的方式去解决这个问题，当没有传输数据，超时一段时间后，TCP自动发送一个数据为全0的1字节的报文，如果对方回应了这个报文，说明对方在线，TCP链接就可以继续保持，如果对方没有报文回应，并且重试了多次之后，则本端认为链接丢失，没有必要继续保持链接。

7.3 怎么开启KeepAlive？

在Linux上，默认不开启KeepAlive，并且没有一个全局的选项去开启TCP的KeepAlive。需要开启KeepAlive的应用必须在TCP的socket中单独开启。Linux Kernel有三个选项影响到KeepAlive的行为：

在/proc/sys/net/ipv4/目录下：

tcp_keepalive_time 7200 #距离上次传送数多少时间未收到新报文判断为开始检测，单位秒，默认7200s

tcp_keepalive_intvl 75 #检测开始多长时间发送心跳包，单位秒，默认75s

tcp_keepalive_probes 9 #发送几次心跳包对方没有回应则close链接，默认9次

TCP socket也有三个选项和内核对应，通过setsockopt系统调用针对单独的socket进行设置

TCPKEEPCNT：覆盖tcp_keepalive_probes

TCPKEEPDLE：覆盖tcp_keepalive_time

TCPKEEPTVL：覆盖tcp_keepalive_intvl

举个例子，如果我的系统默认keepalive设置，如果我在应用程序中针对socket开启了keepalive，然后设置的TCP_KEEPIDLE为60，那么TCP协议栈在发现TCP链接空闲了60s没有传输数据，那么系统就会发送第一个KeepAlive探测报文。

7.4 KeepAlive的不足

KeepAlive只能检测链接是否存活，不能检测链接是否可用。例如，某一方发生了死锁，无法在链接上进行任何读写操作，但是操作系统仍然可以相应网络的KeepAlive的探测包。

TCP KeepAlive机制依赖于操作系统的实现，灵活性不足，并且默认关闭。且默认的KeepAlive心跳时间是2个小时，时间较长。并且，代理或者负载均衡，会让TCP KeepAlive失效。

 

8、基本TCP调优参数

1）Linux为了防止孤儿连接长时间存留在内核中，定义了两个内核参数：

/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans 指定内核能接管的孤儿连接数目

/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 指定孤儿连接在内核中生存的时间

 2）Linux为了保证tcp连接得一定数量，定义了两个内核参数：

/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 未完成连接队列大小，建议调整大小为1024以上

/proc/sys/net/core/somaxconn 完成连接队列大小，建议调整大小为1024以上