TCP頭格式

接下來，我們來看一下TCP頭的格式

TCP頭格式（圖片來源）

你需要注意這么幾點：

• TCP的包是沒有IP地址的，那是IP層上的事。但是有源端口和目標端口。
• 一個TCP連接需要四個元組來表示是同一個連接（src_ip, src_port, dst_ip, dst_port）準確說是五元組，還有一個是協(xié)議。但因為這里只是說TCP協(xié)議，所以，這里我只說四元組。
• 注意上圖中的四個非常重要的東西：
  • Sequence Number是包的序號，用來解決網(wǎng)絡包亂序（reordering）問題。
  • Acknowledgement Number就是ACK——用于確認收到，用來解決不丟包的問題。
  • Window又叫Advertised-Window，也就是著名的滑動窗口（Sliding Window），用于解決流控的。
  • TCP Flag?，也就是包的類型，主要是用于操控TCP的狀態(tài)機的。

關于其它的東西，可以參看下面的圖示

（圖片來源）

TCP的狀態(tài)機

其實，網(wǎng)絡上的傳輸是沒有連接的，包括TCP也是一樣的。而TCP所謂的“連接”，其實只不過是在通訊的雙方維護一個“連接狀態(tài)”，讓它看上去好像有連接一樣。所以，TCP的狀態(tài)變換是非常重要的。

下面是：“TCP協(xié)議的狀態(tài)機”（圖片來源） 和 “TCP建鏈接”、“TCP斷鏈接”、“傳數(shù)據(jù)” 的對照圖，我把兩個圖并排放在一起，這樣方便在你對照著看。另外，下面這兩個圖非常非常的重要，你一定要記牢。（吐個槽：看到這樣復雜的狀態(tài)機，就知道這個協(xié)議有多復雜，復雜的東西總是有很多坑爹的事情，所以TCP協(xié)議其實也挺坑爹的）

很多人會問，為什么建鏈接要3次握手，斷鏈接需要4次揮手？

• 對于建鏈接的3次握手，主要是要初始化Sequence Number 的初始值。通信的雙方要互相通知對方自己的初始化的Sequence Number（縮寫為ISN：Inital Sequence Number）——所以叫SYN，全稱Synchronize Sequence Numbers。也就上圖中的 x 和 y。這個號要作為以后的數(shù)據(jù)通信的序號，以保證應用層接收到的數(shù)據(jù)不會因為網(wǎng)絡上的傳輸?shù)膯栴}而亂序（TCP會用這個序號來拼接數(shù)據(jù)）。

• 對于4次揮手，其實你仔細看是2次，因為TCP是全雙工的，所以，發(fā)送方和接收方都需要Fin和Ack。只不過，有一方是被動的，所以看上去就成了所謂的4次揮手。如果兩邊同時斷連接，那就會就進入到CLOSING狀態(tài)，然后到達TIME_WAIT狀態(tài)。下圖是雙方同時斷連接的示意圖（你同樣可以對照著TCP狀態(tài)機看）：

兩端同時斷連接（圖片來源）

另外，有幾個事情需要注意一下：

• 關于建連接時SYN超時。試想一下，如果server端接到了clien發(fā)的SYN后回了SYN-ACK后client掉線了，server端沒有收到client回來的ACK，那么，這個連接處于一個中間狀態(tài)，即沒成功，也沒失敗。于是，server端如果在一定時間內沒有收到的TCP會重發(fā)SYN-ACK。在Linux下，默認重試次數(shù)為5次，重試的間隔時間從1s開始每次都翻售，5次的重試時間間隔為1s, 2s, 4s, 8s, 16s，總共31s，第5次發(fā)出后還要等32s都知道第5次也超時了，所以，總共需要 1s + 2s + 4s+ 8s+ 16s + 32s = 2^6 -1 = 63s，TCP才會把斷開這個連接。

• 關于SYN Flood攻擊。一些惡意的人就為此制造了SYN Flood攻擊——給服務器發(fā)了一個SYN后，就下線了，于是服務器需要默認等63s才會斷開連接，這樣，攻擊者就可以把服務器的syn連接的隊列耗盡，讓正常的連接請求不能處理。于是，Linux下給了一個叫tcp_syncookies的參數(shù)來應對這個事——當SYN隊列滿了后，TCP會通過源地址端口、目標地址端口和時間戳打造出一個特別的Sequence Number發(fā)回去（又叫cookie），如果是攻擊者則不會有響應，如果是正常連接，則會把這個 SYN Cookie發(fā)回來，然后服務端可以通過cookie建連接（即使你不在SYN隊列中）。請注意，請先千萬別用tcp_syncookies來處理正常的大負載的連接的情況。因為，synccookies是妥協(xié)版的TCP協(xié)議，并不嚴謹。對于正常的請求，你應該調整三個TCP參數(shù)可供你選擇，第一個是：tcp_synack_retries 可以用他來減少重試次數(shù)；第二個是：tcp_max_syn_backlog，可以增大SYN連接數(shù)；第三個是：tcp_abort_on_overflow 處理不過來干脆就直接拒絕連接了。

• 關于ISN的初始化。ISN是不能hard code的，不然會出問題的——比如：如果連接建好后始終用1來做ISN，如果client發(fā)了30個segment過去，但是網(wǎng)絡斷了，于是 client重連，又用了1做ISN，但是之前連接的那些包到了，于是就被當成了新連接的包，此時，client的Sequence Number 可能是3，而Server端認為client端的這個號是30了。全亂了。RFC793中說，ISN會和一個假的時鐘綁在一起，這個時鐘會在每4微秒對ISN做加一操作，直到超過2^32，又從0開始。這樣，一個ISN的周期大約是4.55個小時。因為，我們假設我們的TCP Segment在網(wǎng)絡上的存活時間不會超過Maximum Segment Lifetime（縮寫為MSL –?Wikipedia語條），所以，只要MSL的值小于4.55小時，那么，我們就不會重用到ISN。

• 關于 MSL 和?TIME_WAIT。通過上面的ISN的描述，相信你也知道MSL是怎么來的了。我們注意到，在TCP的狀態(tài)圖中，從TIME_WAIT狀態(tài)到CLOSED狀態(tài)，有一個超時設置，這個超時設置是 2*MSL（RFC793定義了MSL為2分鐘，Linux設置成了30s）為什么要這有TIME_WAIT？為什么不直接給轉成CLOSED狀態(tài)呢？主要有兩個原因：1）TIME_WAIT確保有足夠的時間讓對端收到了ACK，如果被動關閉的那方沒有收到Ack，就會觸發(fā)被動端重發(fā)Fin，一來一去正好2個MSL，2）有足夠的時間讓這個連接不會跟后面的連接混在一起（你要知道，有些自做主張的路由器會緩存IP數(shù)據(jù)包，如果連接被重用了，那么這些延遲收到的包就有可能會跟新連接混在一起）。你可以看看這篇文章《TIME_WAIT and its design implications for protocols and scalable client server systems》

• 關于TIME_WAIT數(shù)量太多。從上面的描述我們可以知道，TIME_WAIT是個很重要的狀態(tài)，但是如果在大并發(fā)的短鏈接下，TIME_WAIT 就會太多，這也會消耗很多系統(tǒng)資源。只要搜一下，你就會發(fā)現(xiàn)，十有八九的處理方式都是教你設置兩個參數(shù)，一個叫tcp_tw_reuse，另一個叫tcp_tw_recycle的參數(shù)，這兩個參數(shù)默認值都是被關閉的，后者recyle比前者resue更為激進，resue要溫柔一些。另外，如果使用tcp_tw_reuse，必需設置tcp_timestamps=1，否則無效。這里，你一定要注意，打開這兩個參數(shù)會有比較大的坑——可能會讓TCP連接出一些詭異的問題（因為如上述一樣，如果不等待超時重用連接的話，新的連接可能會建不上。正如官方文檔上說的一樣“It should not be changed without advice/request of technical experts”）。

• 關于tcp_tw_reuse。官方文檔上說tcp_tw_reuse 加上tcp_timestamps（又叫PAWS, for Protection Against Wrapped Sequence Numbers）可以保證協(xié)議的角度上的安全，但是你需要tcp_timestamps在兩邊都被打開（你可以讀一下tcp_twsk_unique的源碼?）。我個人估計還是有一些場景會有問題。

• 關于tcp_tw_recycle。如果是tcp_tw_recycle被打開了話，會假設對端開啟了tcp_timestamps，然后會去比較時間戳，如果時間戳變大了，就可以重用。但是，如果對端是一個NAT網(wǎng)絡的話（如：一個公司只用一個IP出公網(wǎng)）或是對端的IP被另一臺重用了，這個事就復雜了。建鏈接的SYN可能就被直接丟掉了（你可能會看到connection time out的錯誤）（如果你想觀摩一下Linux的內核代碼，請參看源碼?tcp_timewait_state_process）。

• 關于tcp_max_tw_buckets。這個是控制并發(fā)的TIME_WAIT的數(shù)量，默認值是180000，如果超限，那么，系統(tǒng)會把多的給destory掉，然后在日志里打一個警告（如：time wait bucket table overflow），官網(wǎng)文檔說這個參數(shù)是用來對抗DDoS攻擊的。也說的默認值180000并不小。這個還是需要根據(jù)實際情況考慮。

Again，使用tcp_tw_reuse和tcp_tw_recycle來解決TIME_WAIT的問題是非常非常危險的，因為這兩個參數(shù)違反了TCP協(xié)議（RFC?1122）?

其實，TIME_WAIT表示的是你主動斷連接，所以，這就是所謂的“不作死不會死”。試想，如果讓對端斷連接，那么這個破問題就是對方的了，呵呵。另外，如果你的服務器是于HTTP服務器，那么設置一個HTTP的KeepAlive有多重要（瀏覽器會重用一個TCP連接來處理多個HTTP請求），然后讓客戶端去斷鏈接（你要小心，瀏覽器可能會非常貪婪，他們不到萬不得已不會主動斷連接）。

數(shù)據(jù)傳輸中的Sequence Number

下圖是我從Wireshark中截了個我在訪問coolshell.cn時的有數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱D給你看一下，SeqNum是怎么變的。（使用Wireshark菜單中的Statistics ->Flow Graph… ）

你可以看到，SeqNum的增加是和傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)相關的。上圖中，三次握手后，來了兩個Len:1440的包，而第二個包的SeqNum就成了1441。然后第一個ACK回的是1441，表示第一個1440收到了。

注意：如果你用Wireshark抓包程序看3次握手，你會發(fā)現(xiàn)SeqNum總是為0，不是這樣的，Wireshark為了顯示更友好，使用了Relative SeqNum——相對序號，你只要在右鍵菜單中的protocol preference 中取消掉就可以看到“Absolute SeqNum”了

TCP重傳機制

TCP要保證所有的數(shù)據(jù)包都可以到達，所以，必需要有重傳機制。

注意，接收端給發(fā)送端的Ack確認只會確認最后一個連續(xù)的包，比如，發(fā)送端發(fā)了1,2,3,4,5一共五份數(shù)據(jù)，接收端收到了1，2，于是回ack 3，然后收到了4（注意此時3沒收到），此時的TCP會怎么辦？我們要知道，因為正如前面所說的，SeqNum和Ack是以字節(jié)數(shù)為單位，所以ack的時候，不能跳著確認，只能確認最大的連續(xù)收到的包，不然，發(fā)送端就以為之前的都收到了。

超時重傳機制

一種是不回ack，死等3，當發(fā)送方發(fā)現(xiàn)收不到3的ack超時后，會重傳3。一旦接收方收到3后，會ack 回 4——意味著3和4都收到了。

但是，這種方式會有比較嚴重的問題，那就是因為要死等3，所以會導致4和5即便已經收到了，而發(fā)送方也完全不知道發(fā)生了什么事，因為沒有收到Ack，所以，發(fā)送方可能會悲觀地認為也丟了，所以有可能也會導致4和5的重傳。

對此有兩種選擇：

• 一種是僅重傳timeout的包。也就是第3份數(shù)據(jù)。
• 另一種是重傳timeout后所有的數(shù)據(jù)，也就是第3，4，5這三份數(shù)據(jù)。

這兩種方式有好也有不好。第一種會節(jié)省帶寬，但是慢，第二種會快一點，但是會浪費帶寬，也可能會有無用功。但總體來說都不好。因為都在等timeout，timeout可能會很長（在下篇會說TCP是怎么動態(tài)地計算出timeout的）

快速重傳機制

于是，TCP引入了一種叫Fast Retransmit?的算法，不以時間驅動，而以數(shù)據(jù)驅動重傳。也就是說，如果，包沒有連續(xù)到達，就ack最后那個可能被丟了的包，如果發(fā)送方連續(xù)收到3次相同的ack，就重傳。Fast Retransmit的好處是不用等timeout了再重傳。

比如：如果發(fā)送方發(fā)出了1，2，3，4，5份數(shù)據(jù)，第一份先到送了，于是就ack回2，結果2因為某些原因沒收到，3到達了，于是還是ack回2，后面的4和5都到了，但是還是ack回2，因為2還是沒有收到，于是發(fā)送端收到了三個ack=2的確認，知道了2還沒有到，于是就馬上重轉2。然后，接收端收到了2，此時因為3，4，5都收到了，于是ack回6。示意圖如下：

Fast?Retransmit只解決了一個問題，就是timeout的問題，它依然面臨一個艱難的選擇，就是重轉之前的一個還是重裝所有的問題。對于上面的示例來說，是重傳#2呢還是重傳#2，#3，#4，#5呢？因為發(fā)送端并不清楚這連續(xù)的3個ack(2)是誰傳回來的？也許發(fā)送端發(fā)了20份數(shù)據(jù)，是#6，#10，#20傳來的呢。這樣，發(fā)送端很有可能要重傳從2到20的這堆數(shù)據(jù)（這就是某些TCP的實際的實現(xiàn)）?？梢?，這是一把雙刃劍。

SACK 方法

另外一種更好的方式叫：Selective Acknowledgment (SACK)（參看RFC 2018），這種方式需要在TCP頭里加一個SACK的東西，ACK還是Fast Retransmit的ACK，SACK則是匯報收到的數(shù)據(jù)碎版。參看下圖：

這樣，在發(fā)送端就可以根據(jù)回傳的SACK來知道哪些數(shù)據(jù)到了，哪些沒有到。于是就優(yōu)化了Fast?Retransmit的算法。當然，這個協(xié)議需要兩邊都支持。在 Linux下，可以通過tcp_sack參數(shù)打開這個功能（Linux 2.4后默認打開）。

這里還需要注意一個問題——接收方Reneging，所謂Reneging的意思就是接收方有權把已經報給發(fā)送端SACK里的數(shù)據(jù)給丟了。這樣干是不被鼓勵的，因為這個事會把問題復雜化了，但是，接收方這么做可能會有些極端情況，比如要把內存給別的更重要的東西。所以，發(fā)送方也不能完全依賴SACK，還是要依賴ACK，并維護Time-Out，如果后續(xù)的ACK沒有增長，那么還是要把SACK的東西重傳，另外，接收端這邊永遠不能把SACK的包標記為Ack。

注意：SACK會消費發(fā)送方的資源，試想，如果一個攻擊者給數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)一堆SACK的選項，這會導致發(fā)送方開始要重傳甚至遍歷已經發(fā)出的數(shù)據(jù)，這會消耗很多發(fā)送端的資源。詳細的東西請參看《TCP SACK的性能權衡》

Duplicate SACK – 重復收到數(shù)據(jù)的問題

Duplicate SACK又稱D-SACK，其主要使用了SACK來告訴發(fā)送方有哪些數(shù)據(jù)被重復接收了。RFC-2833?里有詳細描述和示例。下面舉幾個例子（來源于RFC-2833）

D-SACK使用了SACK的第一個段來做標志，

• 如果SACK的第一個段的范圍被ACK所覆蓋，那么就是D-SACK

• 如果SACK的第一個段的范圍被SACK的第二個段覆蓋，那么就是D-SACK

示例一：ACK丟包

下面的示例中，丟了兩個ACK，所以，發(fā)送端重傳了第一個數(shù)據(jù)包（3000-3499），于是接收端發(fā)現(xiàn)重復收到，于是回了一個SACK=3000-3500，因為ACK都到了4000意味著收到了4000之前的所有數(shù)據(jù)，所以這個SACK就是D-SACK——旨在告訴發(fā)送端我收到了重復的數(shù)據(jù)，而且我們的發(fā)送端還知道，數(shù)據(jù)包沒有丟，丟的是ACK包。

Transmitted? Received??? ACK Sent
Segment????? Segment???? (Including SACK Blocks)
3000-3499??? 3000-3499?? 3500 (ACK dropped)
3500-3999??? 3500-3999?? 4000 (ACK dropped)
3000-3499??? 3000-3499?? 4000, SACK=3000-3500
---------

示例二，網(wǎng)絡延誤

下面的示例中，網(wǎng)絡包（1000-1499）被網(wǎng)絡給延誤了，導致發(fā)送方沒有收到ACK，而后面到達的三個包觸發(fā)了“Fast Retransmit算法”，所以重傳，但重傳時，被延誤的包又到了，所以，回了一個SACK=1000-1500，因為ACK已到了3000，所以，這個SACK是D-SACK——標識收到了重復的包。

這個案例下，發(fā)送端知道之前因為“Fast Retransmit算法”觸發(fā)的重傳不是因為發(fā)出去的包丟了，也不是因為回應的ACK包丟了，而是因為網(wǎng)絡延時了。

Transmitted??? Received??? ACK Sent
Segment??????? Segment???? (Including SACK Blocks)
500-999??????? 500-999???? 1000
1000-1499????? (delayed)
1500-1999????? 1500-1999?? 1000, SACK=1500-2000
2000-2499????? 2000-2499?? 1000, SACK=1500-2500
2500-2999????? 2500-2999?? 1000, SACK=1500-3000
1000-1499????? 1000-1499?? 3000
1000-1499?? 3000, SACK=1000-1500
---------

可見，引入了D-SACK，有這么幾個好處：

1）可以讓發(fā)送方知道，是發(fā)出去的包丟了，還是回來的ACK包丟了。

2）是不是自己的timeout太小了，導致重傳。

3）網(wǎng)絡上出現(xiàn)了先發(fā)的包后到的情況（又稱reordering）

4）網(wǎng)絡上是不是把我的數(shù)據(jù)包給復制了。

?知道這些東西可以很好得幫助TCP了解網(wǎng)絡情況，從而可以更好的做網(wǎng)絡上的流控。

Linux下的tcp_dsack參數(shù)用于開啟這個功能（Linux 2.4后默認打開）

好了，上篇就到這里結束了。如果你覺得我寫得還比較淺顯易懂，那么，歡迎移步看下篇《TCP的那些事（下）》