TCP协议灵魂之问（2-2）

Posted 2021-04-15 极客峰

来源：掘金

原题：(建议收藏)TCP协议灵魂之问，巩固你的网路底层基础

https://juejin.im/post/5e527c58e51d4526c654bf41

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能不能说说TCP报文中时间戳的作用？

timestamp是 TCP 报文首部的一个可选项，一共占 10 个字节，格式如下:

kind(1 字节) + length(1 字节) + info(8 个字节)

其中 kind = 8， length = 10， info 有两部分构成: timestamp和timestamp echo，各占 4 个字节。

那么这些字段都是干嘛的呢？它们用来解决那些问题？

接下来我们就来一一梳理，TCP 的时间戳主要解决两大问题:

• 计算往返时延 RTT(Round-Trip Time)

• 防止序列号的回绕问题

计算往返时延 RTT

在没有时间戳的时候，计算 RTT 会遇到的问题如下图所示:

如果以第一次发包为开始时间的话，就会出现左图的问题，RTT 明显偏大，开始时间应该采用第二次的；

如果以第二次发包为开始时间的话，就会导致右图的问题，RTT 明显偏小，开始时间应该采用第一次发包的。

实际上无论开始时间以第一次发包还是第二次发包为准，都是不准确的。

那这个时候引入时间戳就很好的解决了这个问题。

比如现在 a 向 b 发送一个报文 s1，b 向 a 回复一个含 ACK 的报文 s2 那么：

• step 1: a 向 b 发送的时候，timestamp 中存放的内容就是 a 主机发送时的内核时刻 ta1。

• step 2: b 向 a 回复 s2 报文的时候，timestamp 中存放的是 b 主机的时刻 tb, timestamp echo字段为从 s1 报文中解析出来的 ta1。

• step 3: a 收到 b 的 s2 报文之后，此时 a 主机的内核时刻是 ta2, 而在 s2 报文中的 timestamp echo 选项中可以得到 ta1, 也就是 s2 对应的报文最初的发送时刻。然后直接采用 ta2 - ta1 就得到了 RTT 的值。

防止序列号回绕问题

现在我们来模拟一下这个问题。

序列号的范围其实是在0 ~ 2 ^ 32 - 1, 为了方便演示，我们缩小一下这个区间，假设范围是 0 ~ 4，那么到达 4 的时候会回到 0。

第几次发包	发送字节	对应序列号	状态
1	0 ~ 1	0 ~ 1	成功接收
2	1 ~ 2	1 ~ 2	滞留在网络中
3	2 ~ 3	2 ~ 3	成功接收
4	3 ~ 4	3 ~ 4	成功接收
5	4 ~ 5	0 ~ 1	成功接收，序列号从0开始
6	5 ~ 6	1 ~ 2	？？？

假设在第 6 次的时候，之前还滞留在网路中的包回来了，那么就有两个序列号为1 ~ 2的数据包了，怎么区分谁是谁呢？这个时候就产生了序列号回绕的问题。

那么用 timestamp 就能很好地解决这个问题，因为每次发包的时候都是将发包机器当时的内核时间记录在报文中，那么两次发包序列号即使相同，时间戳也不可能相同，这样就能够区分开两个数据包了。

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TCP 的超时重传时间是如何计算的？

TCP 具有超时重传机制，即间隔一段时间没有等到数据包的回复时，重传这个数据包。

那么这个重传间隔是如何来计算的呢？

今天我们就来讨论一下这个问题。

这个重传间隔也叫做超时重传时间(Retransmission TimeOut, 简称RTO)，它的计算跟上一节提到的 RTT 密切相关。这里我们将介绍两种主要的方法，一个是经典方法，一个是标准方法。

经典方法

经典方法引入了一个新的概念——SRTT(Smoothed round trip time，即平滑往返时间)，没产生一次新的 RTT. 就根据一定的算法对 SRTT 进行更新，具体而言，计算方式如下(SRTT 初始值为0):

SRTT = (α * SRTT) + ((1 - α) * RTT)

其中，α 是平滑因子，建议值是0.8，范围是0.8 ~ 0.9。

拿到 SRTT，我们就可以计算 RTO 的值了:

RTO = min(ubound, max(lbound, β * SRTT))

β 是加权因子，一般为1.3 ~ 2.0， lbound 是下界，ubound 是上界。

其实这个算法过程还是很简单的，但是也存在一定的局限，就是在 RTT 稳定的地方表现还可以，而在 RTT 变化较大的地方就不行了，因为平滑因子 α 的范围是0.8 ~ 0.9, RTT 对于 RTO 的影响太小。

标准方法

为了解决经典方法对于 RTT 变化不敏感的问题，后面又引出了标准方法，也叫Jacobson / Karels 算法。

一共有三步。

第一步: 计算SRTT，公式如下:

SRTT = (1 - α) * SRTT + α * RTT

注意这个时候的 α跟经典方法中的α取值不一样了，建议值是1/8，也就是0.125。

第二步: 计算RTTVAR(round-trip time variation)这个中间变量。

RTTVAR = (1 - β) * RTTVAR + β * (|RTT - SRTT|)

β 建议值为 0.25。这个值是这个算法中出彩的地方，也就是说，它记录了最新的 RTT 与当前 SRTT 之间的差值，给我们在后续感知到 RTT 的变化提供了抓手。

第三步: 计算最终的RTO:

RTO = µ * SRTT + ∂ * RTTVAR

µ建议值取1, ∂建议值取4。

这个公式在 SRTT 的基础上加上了最新 RTT 与它的偏移，从而很好的感知了 RTT 的变化，这种算法下，RTO 与 RTT 变化的差值关系更加密切。

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能不能说一说 TCP 的流量控制？

对于发送端和接收端而言，TCP 需要把发送的数据放到发送缓存区, 将接收的数据放到接收缓存区。

而流量控制索要做的事情，就是在通过接收缓存区的大小，控制发送端的发送。如果对方的接收缓存区满了，就不能再继续发送了。

要具体理解流量控制，首先需要了解滑动窗口的概念。

TCP 滑动窗口

TCP 滑动窗口分为两种: 发送窗口和接收窗口。

发送窗口

发送端的滑动窗口结构如下:

其中包含四大部分:

• 已发送且已确认

• 已发送但未确认

• 未发送但可以发送

• 未发送也不可以发送

其中有一些重要的概念，我标注在图中:

发送窗口就是图中被框住的范围。SND 即send, WND 即window, UNA 即unacknowledged, 表示未被确认，NXT 即next, 表示下一个发送的位置。

接收窗口

接收端的窗口结构如下:

REV 即 receive，NXT 表示下一个接收的位置，WND 表示接收窗口大小。

流量控制过程

这里我们不用太复杂的例子，以一个最简单的来回来模拟一下流量控制的过程，方便大家理解。

首先双方三次握手，初始化各自的窗口大小，均为 200 个字节。

假如当前发送端给接收端发送 100 个字节，那么此时对于发送端而言，SND.NXT 当然要右移 100 个字节，也就是说当前的可用窗口减少了 100 个字节，这很好理解。

现在这 100 个到达了接收端，被放到接收端的缓冲队列中。不过此时由于大量负载的原因，接收端处理不了这么多字节，只能处理 40 个字节，剩下的 60 个字节被留在了缓冲队列中。

注意了，此时接收端的情况是处理能力不够用啦，你发送端给我少发点，所以此时接收端的接收窗口应该缩小，具体来说，缩小 60 个字节，由 200 个字节变成了 140 字节，因为缓冲队列还有 60 个字节没被应用拿走。

因此，接收端会在 ACK 的报文首部带上缩小后的滑动窗口 140 字节，发送端对应地调整发送窗口的大小为 140 个字节。

此时对于发送端而言，已经发送且确认的部分增加 40 字节，也就是 SND.UNA 右移 40 个字节，同时发送窗口缩小为 140 个字节。

这也就是流量控制的过程。尽管回合再多，整个控制的过程和原理是一样的。

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能不能说说 TCP 的拥塞控制？

上一节所说的流量控制发生在发送端跟接收端之间，并没有考虑到整个网络环境的影响，如果说当前网络特别差，特别容易丢包，那么发送端就应该注意一些了。而这，也正是拥塞控制需要处理的问题。

对于拥塞控制来说，TCP 每条连接都需要维护两个核心状态:

• 拥塞窗口（Congestion Window，cwnd）

• 慢启动阈值（Slow Start Threshold，ssthresh）

涉及到的算法有这几个:

• 慢启动

• 拥塞避免

• 快速重传和快速恢复

接下来，我们就来一一拆解这些状态和算法。首先，从拥塞窗口说起。

拥塞窗口

拥塞窗口（Congestion Window，cwnd）是指目前自己还能传输的数据量大小。

那么之前介绍了接收窗口的概念，两者有什么区别呢？

• 接收窗口(rwnd)是接收端给的限制

• 拥塞窗口(cwnd)是发送端的限制

限制谁呢？

限制的是发送窗口的大小。

有了这两个窗口，如何来计算发送窗口？

发送窗口大小 = min(rwnd, cwnd)

取两者的较小值。而拥塞控制，就是来控制cwnd的变化。

慢启动

刚开始进入传输数据的时候，你是不知道现在的网路到底是稳定还是拥堵的，如果做的太激进，发包太急，那么疯狂丢包，造成雪崩式的网络灾难。

因此，拥塞控制首先就是要采用一种保守的算法来慢慢地适应整个网路，这种算法叫慢启动。运作过程如下:

• 首先，三次握手，双方宣告自己的接收窗口大小

• 双方初始化自己的拥塞窗口(cwnd)大小

• 在开始传输的一段时间，发送端每收到一个 ACK，拥塞窗口大小加 1，也就是说，每经过一个 RTT，cwnd 翻倍。如果说初始窗口为 10，那么第一轮 10 个报文传完且发送端收到 ACK 后，cwnd 变为 20，第二轮变为 40，第三轮变为 80，依次类推。

难道就这么无止境地翻倍下去？当然不可能。它的阈值叫做慢启动阈值，当 cwnd 到达这个阈值之后，好比踩了下刹车，别涨了那么快了，老铁，先 hold 住！

在到达阈值后，如何来控制 cwnd 的大小呢？

这就是拥塞避免做的事情了。

拥塞避免

原来每收到一个 ACK，cwnd 加1，现在到达阈值了，cwnd 只能加这么一点: 1 / cwnd。那你仔细算算，一轮 RTT 下来，收到 cwnd 个 ACK, 那最后拥塞窗口的大小 cwnd 总共才增加 1。

也就是说，以前一个 RTT 下来，cwnd翻倍，现在cwnd只是增加 1 而已。

当然，慢启动和拥塞避免是一起作用的，是一体的。

快速重传和快速恢复

快速重传

在 TCP 传输的过程中，如果发生了丢包，即接收端发现数据段不是按序到达的时候，接收端的处理是重复发送之前的 ACK。

比如第 5 个包丢了，即使第 6、7 个包到达的接收端，接收端也一律返回第 4 个包的 ACK。当发送端收到 3 个重复的 ACK 时，意识到丢包了，于是马上进行重传，不用等到一个 RTO 的时间到了才重传。

这就是快速重传，它解决的是是否需要重传的问题。

选择性重传

那你可能会问了，既然要重传，那么只重传第 5 个包还是第5、6、7 个包都重传呢？

当然第 6、7 个都已经到达了，TCP 的设计者也不傻，已经传过去干嘛还要传？干脆记录一下哪些包到了，哪些没到，针对性地重传。

在收到发送端的报文后，接收端回复一个 ACK 报文，那么在这个报文首部的可选项中，就可以加上SACK这个属性，通过left edge和right edge告知发送端已经收到了哪些区间的数据报。因此，即使第 5 个包丢包了，当收到第 6、7 个包之后，接收端依然会告诉发送端，这两个包到了。剩下第 5 个包没到，就重传这个包。这个过程也叫做选择性重传(SACK，Selective Acknowledgment)，它解决的是如何重传的问题。

快速恢复

当然，发送端收到三次重复 ACK 之后，发现丢包，觉得现在的网络已经有些拥塞了，自己会进入快速恢复阶段。

在这个阶段，发送端如下改变：

• 拥塞阈值降低为 cwnd 的一半

• cwnd 的大小变为拥塞阈值

• cwnd 线性增加

以上就是 TCP 拥塞控制的经典算法: 慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。

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能不能说说 Nagle 算法和延迟确认？

Nagle 算法

试想一个场景，发送端不停地给接收端发很小的包，一次只发 1 个字节，那么发 1 千个字节需要发 1000 次。这种频繁的发送是存在问题的，不光是传输的时延消耗，发送和确认本身也是需要耗时的，频繁的发送接收带来了巨大的时延。

而避免小包的频繁发送，这就是 Nagle 算法要做的事情。

具体来说，Nagle 算法的规则如下:

• 当第一次发送数据时不用等待，就算是 1byte 的小包也立即发送

• 后面发送满足下面条件之一就可以发了:

• 数据包大小达到最大段大小(Max Segment Size, 即 MSS)

• 之前所有包的 ACK 都已接收到

  
  

延迟确认

试想这样一个场景，当我收到了发送端的一个包，然后在极短的时间内又接收到了第二个包，那我是一个个地回复，还是稍微等一下，把两个包的 ACK 合并后一起回复呢？

延迟确认(delayed ack)所做的事情，就是后者，稍稍延迟，然后合并 ACK，最后才回复给发送端。TCP 要求这个延迟的时延必须小于500ms，一般操作系统实现都不会超过200ms。

不过需要主要的是，有一些场景是不能延迟确认的，收到了就要马上回复:

• 接收到了大于一个 frame 的报文，且需要调整窗口大小

• TCP 处于 quickack 模式（通过tcp_in_quickack_mode设置）

• 发现了乱序包

两者一起使用会怎样？

前者意味着延迟发，后者意味着延迟接收，会造成更大的延迟，产生性能问题。

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如何理解 TCP 的 keep-alive？

大家都听说过 http 的keep-alive, 不过 TCP 层面也是有keep-alive机制，而且跟应用层不太一样。

试想一个场景，当有一方因为网络故障或者宕机导致连接失效，由于 TCP 并不是一个轮询的协议，在下一个数据包到达之前，对端对连接失效的情况是一无所知的。

这个时候就出现了 keep-alive, 它的作用就是探测对端的连接有没有失效。

在 Linux 下，可以这样查看相关的配置:

sudo sysctl -a | grep keepalive
// 每隔 7200 s 检测一次net.ipv4.tcp_keepalive_time = 7200// 一次最多重传 9 个包net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 9// 每个包的间隔重传间隔 75 snet.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 75

不过，现状是大部分的应用并没有默认开启 TCP 的keep-alive选项，为什么？

站在应用的角度:

• 7200s 也就是两个小时检测一次，时间太长

• 时间再短一些，也难以体现其设计的初衷, 即检测长时间的死连接

因此是一个比较尴尬的设计。