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如何理解TCP协议、算法和原理

2023-06-03 19:43

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如何理解TCP协议、算法和原理,很多新手对此不是很清楚,为了帮助大家解决这个难题,下面小编将为大家详细讲解,有这方面需求的人可以来学习下,希望你能有所收获。

首先,我们需要知道,我们程序的数据首先会打到TCP的Segment中,然后TCP的Segment会打到IP的Packet中,然后再打到以太网Ethernet的Frame中,传到对端后,各个层解析自己的协议,然后把数据交给更高层的协议处理。

TCP头格式

接下来,我们来看一下TCP头的格式:
如何理解TCP协议、算法和原理
你需要注意这么几点:

TCP的包是没有IP地址的,那是IP层上的事。但是有源端口和目标端口。
一个TCP连接需要四个元组来表示是同一个连接(src_ip, src_port, dst_ip, dst_port)准确说是五元组,还有一个是协议。但因为这里只是说TCP协议,所以,这里我只说四元组。
注意上图中的四个非常重要的东西:
Sequence Number是包的序号,用来解决网络包乱序(reordering)问题。
Acknowledgement Number就是ACK——用于确认收到,用来解决不丢包的问题。
Window又叫Advertised-Window,也就是著名的滑动窗口(Sliding Window),用于解决流控的。
TCP Flag ,也就是包的类型,主要是用于操控TCP的状态机的。
TCP的状态机

其实,网络上的传输是没有连接的,包括TCP也是一样的。而TCP所谓的“连接”,其实只不过是在通讯的双方维护一个“连接状态”,让它看上去好像有连接一样。所以,TCP的状态变换是非常重要的。

下面是:“TCP协议的状态机”(图片来源) 和 “TCP建链接”、“TCP断链接”、“传数据” 的对照图,我把两个图并排放在一起,这样方便在你对照着看。另外,下面这两个图非常非常的重要,你一定要记牢。(吐个槽:看到这样复杂的状态机,就知道这个协议有多复杂,复杂的东西总是有很多坑爹的事情,所以TCP协议其实也挺坑爹的)。
如何理解TCP协议、算法和原理
如何理解TCP协议、算法和原理
很多人会问,为什么建链接要3次握手,断链接需要4次挥手?

对于建链接的3次握手,主要是要初始化Sequence Number 的初始值。通信的双方要互相通知对方自己的初始化的Sequence Number(缩写为ISN:Inital Sequence Number)——所以叫SYN,全称Synchronize Sequence Numbers。也就上图中的 x 和 y。这个号要作为以后的数据通信的序号,以保证应用层接收到的数据不会因为网络上的传输的问题而乱序(TCP会用这个序号来拼接数据)。
对于4次挥手,其实你仔细看是2次,因为TCP是全双工的,所以,发送方和接收方都需要Fin和Ack。只不过,有一方是被动的,所以看上去就成了所谓的4次挥手。如果两边同时断连接,那就会就进入到CLOSING状态,然后到达TIME_WAIT状态。下图是双方同时断连接的示意图(你同样可以对照着TCP状态机看):
如何理解TCP协议、算法和原理
另外,有几个事情需要注意一下:

关于建连接时SYN超时。试想一下,如果server端接到了clien发的SYN后回了SYN-ACK后client掉线了,server端没有收到client回来的ACK,那么,这个连接处于一个中间状态,即没成功,也没失败。于是,server端如果在一定时间内没有收到的TCP会重发SYN-ACK。在Linux下,默认重试次数为5次,重试的间隔时间从1s开始每次都翻售,5次的重试时间间隔为1s, 2s, 4s, 8s, 16s,总共31s,第5次发出后还要等32s都知道第5次也超时了,所以,总共需要 1s + 2s + 4s+ 8s+ 16s + 32s = 2^6 -1 = 63s,TCP才会把断开这个连接。
关于SYN Flood攻击。一些恶意的人就为此制造了SYN Flood攻击——给服务器发了一个SYN后,就下线了,于是服务器需要默认等63s才会断开连接,这样,攻击者就可以把服务器的syn连接的队列耗尽,让正常的连接请求不能处理。于是,Linux下给了一个叫tcp_syncookies的参数来应对这个事——当SYN队列满了后,TCP会通过源地址端口、目标地址端口和时间戳打造出一个特别的Sequence Number发回去(又叫cookie),如果是攻击者则不会有响应,如果是正常连接,则会把这个 SYN Cookie发回来,然后服务端可以通过cookie建连接(即使你不在SYN队列中)。请注意,请先千万别用tcp_syncookies来处理正常的大负载的连接的情况。因为,synccookies是妥协版的TCP协议,并不严谨。对于正常的请求,你应该调整三个TCP参数可供你选择,第一个是:tcp_synack_retries 可以用他来减少重试次数;第二个是:tcp_max_syn_backlog,可以增大SYN连接数;第三个是:tcp_abort_on_overflow 处理不过来干脆就直接拒绝连接了。
关于ISN的初始化。ISN是不能hard code的,不然会出问题的——比如:如果连接建好后始终用1来做ISN,如果client发了30个segment过去,但是网络断了,于是 client重连,又用了1做ISN,但是之前连接的那些包到了,于是就被当成了新连接的包,此时,client的Sequence Number 可能是3,而Server端认为client端的这个号是30了。全乱了。RFC793中说,ISN会和一个假的时钟绑在一起,这个时钟会在每4微秒对ISN做加一操作,直到超过2^32,又从0开始。这样,一个ISN的周期大约是4.55个小时。因为,我们假设我们的TCP Segment在网络上的存活时间不会超过Maximum Segment Lifetime(缩写为MSL – Wikipedia语条),所以,只要MSL的值小于4.55小时,那么,我们就不会重用到ISN。
关于 MSL 和 TIME_WAIT。通过上面的ISN的描述,相信你也知道MSL是怎么来的了。我们注意到,在TCP的状态图中,从TIME_WAIT状态到CLOSED状态,有一个超时设置,这个超时设置是 2*MSL(RFC793定义了MSL为2分钟,Linux设置成了30s)为什么要这有TIME_WAIT?为什么不直接给转成CLOSED状态呢?主要有两个原因:1)TIME_WAIT确保有足够的时间让对端收到了ACK,如果被动关闭的那方没有收到Ack,就会触发被动端重发Fin,一来一去正好2个MSL,2)有足够的时间让这个连接不会跟后面的连接混在一起(你要知道,有些自做主张的路由器会缓存IP数据包,如果连接被重用了,那么这些延迟收到的包就有可能会跟新连接混在一起)。你可以看看这篇文章《TIME_WAIT and its design implications for protocols and scalable client server systems》。
关于TIME_WAIT数量太多。从上面的描述我们可以知道,TIME_WAIT是个很重要的状态,但是如果在大并发的短链接下,TIME_WAIT 就会太多,这也会消耗很多系统资源。只要搜一下,你就会发现,十有八九的处理方式都是教你设置两个参数,一个叫tcp_tw_reuse,另一个叫tcp_tw_recycle的参数,这两个参数默认值都是被关闭的,后者recyle比前者resue更为激进,resue要温柔一些。另外,如果使用tcp_tw_reuse,必需设置tcp_timestamps=1,否则无效。这里,你一定要注意,打开这两个参数会有比较大的坑——可能会让TCP连接出一些诡异的问题(因为如上述一样,如果不等待超时重用连接的话,新的连接可能会建不上。正如官方文档上说的一样“It should not be changed without advice/request of technical experts”)。
关于tcp_tw_reuse。官方文档上说tcp_tw_reuse 加上tcp_timestamps(又叫PAWS, for Protection Against Wrapped Sequence Numbers)可以保证协议的角度上的安全,但是你需要tcp_timestamps在两边都被打开(你可以读一下tcp_twsk_unique的源码 )。我个人估计还是有一些场景会有问题。
关于tcp_tw_recycle。如果是tcp_tw_recycle被打开了话,会假设对端开启了tcp_timestamps,然后会去比较时间戳,如果时间戳变大了,就可以重用。但是,如果对端是一个NAT网络的话(如:一个公司只用一个IP出公网)或是对端的IP被另一台重用了,这个事就复杂了。建链接的SYN可能就被直接丢掉了(你可能会看到connection time out的错误)(如果你想观摩一下Linux的内核代码,请参看源码 tcp_timewait_state_process)。
关于tcp_max_tw_buckets。这个是控制并发的TIME_WAIT的数量,默认值是180000,如果超限,那么,系统会把多的给destory掉,然后在日志里打一个警告(如:time wait bucket table overflow),官网文档说这个参数是用来对抗DDoS攻击的。也说的默认值180000并不小。这个还是需要根据实际情况考虑。
Again,使用tcp_tw_reuse和tcp_tw_recycle来解决TIME_WAIT的问题是非常非常危险的,因为这两个参数违反了TCP协议(RFC 1122)。

其实,TIME_WAIT表示的是你主动断连接,所以,这就是所谓的“不作死不会死”。试想,如果让对端断连接,那么这个破问题就是对方的了,呵呵。另外,如果你的服务器是于HTTP服务器,那么设置一个HTTP的KeepAlive有多重要(浏览器会重用一个TCP连接来处理多个HTTP请求),然后让客户端去断链接(你要小心,浏览器可能会非常贪婪,他们不到万不得已不会主动断连接)。

数据传输中的Sequence Number

下图是我从Wireshark中截了个我在访问coolshell.cn时的有数据传输的图给你看一下,SeqNum是怎么变的。(使用Wireshark菜单中的Statistics ->Flow Graph… )
如何理解TCP协议、算法和原理
你可以看到,SeqNum的增加是和传输的字节数相关的。上图中,三次握手后,来了两个Len:1440的包,而第二个包的SeqNum就成了1441。然后第一个ACK回的是1441,表示第一个1440收到了。

注意:如果你用Wireshark抓包程序看3次握手,你会发现SeqNum总是为0,不是这样的,Wireshark为了显示更友好,使用了Relative SeqNum——相对序号,你只要在右键菜单中的protocol preference 中取消掉就可以看到“Absolute SeqNum”了。

TCP重传机制

TCP要保证所有的数据包都可以到达,所以,必需要有重传机制。

注意,接收端给发送端的Ack确认只会确认最后一个连续的包,比如,发送端发了1,2,3,4,5一共五份数据,接收端收到了1,2,于是回ack 3,然后收到了4(注意此时3没收到),此时的TCP会怎么办?我们要知道,因为正如前面所说的,SeqNum和Ack是以字节数为单位,所以ack的时候,不能跳着确认,只能确认最大的连续收到的包,不然,发送端就以为之前的都收到了。

超时重传机制

一种是不回ack,死等3,当发送方发现收不到3的ack超时后,会重传3。一旦接收方收到3后,会ack 回 4——意味着3和4都收到了。

但是,这种方式会有比较严重的问题,那就是因为要死等3,所以会导致4和5即便已经收到了,而发送方也完全不知道发生了什么事,因为没有收到Ack,所以,发送方可能会悲观地认为也丢了,所以有可能也会导致4和5的重传。

对此有两种选择:

一种是仅重传timeout的包。也就是第3份数据。
另一种是重传timeout后所有的数据,也就是第3,4,5这三份数据。
这两种方式有好也有不好。第一种会节省带宽,但是慢,第二种会快一点,但是会浪费带宽,也可能会有无用功。但总体来说都不好。因为都在等timeout,timeout可能会很长(在下篇会说TCP是怎么动态地计算出timeout的)。

快速重传机制

于是,TCP引入了一种叫Fast Retransmit 的算法,不以时间驱动,而以数据驱动重传。也就是说,如果,包没有连续到达,就ack最后那个可能被丢了的包,如果发送方连续收到3次相同的ack,就重传。Fast Retransmit的好处是不用等timeout了再重传。

比如:如果发送方发出了1,2,3,4,5份数据,第一份先到送了,于是就ack回2,结果2因为某些原因没收到,3到达了,于是还是ack回2,后面的4和5都到了,但是还是ack回2,因为2还是没有收到,于是发送端收到了三个ack=2的确认,知道了2还没有到,于是就马上重转2。然后,接收端收到了2,此时因为3,4,5都收到了,于是ack回6。
Fast Retransmit只解决了一个问题,就是timeout的问题,它依然面临一个艰难的选择,就是,是重传之前的一个还是重传所有的问题。对于上面的示例来说,是重传#2呢还是重传#2,#3,#4,#5呢?因为发送端并不清楚这连续的3个ack(2)是谁传回来的?也许发送端发了20份数据,是#6,#10,#20传来的呢。这样,发送端很有可能要重传从2到20的这堆数据(这就是某些TCP的实际的实现)。可见,这是一把双刃剑。

SACK 方法

另外一种更好的方式叫:Selective Acknowledgment (SACK)(参看RFC 2018),这种方式需要在TCP头里加一个SACK的东西,ACK还是Fast Retransmit的ACK,SACK则是汇报收到的数据碎版。参看下图:
如何理解TCP协议、算法和原理
这样,在发送端就可以根据回传的SACK来知道哪些数据到了,哪些没有到。于是就优化了Fast Retransmit的算法。当然,这个协议需要两边都支持。在 Linux下,可以通过tcp_sack参数打开这个功能(Linux 2.4后默认打开)。

这里还需要注意一个问题——接收方Reneging,所谓Reneging的意思就是接收方有权把已经报给发送端SACK里的数据给丢了。这样干是不被鼓励的,因为这个事会把问题复杂化了,但是,接收方这么做可能会有些极端情况,比如要把内存给别的更重要的东西。所以,发送方也不能完全依赖SACK,还是要依赖ACK,并维护Time-Out,如果后续的ACK没有增长,那么还是要把SACK的东西重传,另外,接收端这边永远不能把SACK的包标记为Ack。

注意:SACK会消费发送方的资源,试想,如果一个攻击者给数据发送方发一堆SACK的选项,这会导致发送方开始要重传甚至遍历已经发出的数据,这会消耗很多发送端的资源。详细的东西请参看《TCP SACK的性能权衡》。

Duplicate SACK – 重复收到数据的问题

Duplicate SACK又称D-SACK,其主要使用了SACK来告诉发送方有哪些数据被重复接收了。RFC-2883 里有详细描述和示例。下面举几个例子(来源于RFC-2883)

D-SACK使用了SACK的第一个段来做标志,

如果SACK的第一个段的范围被ACK所覆盖,那么就是D-SACK
如果SACK的第一个段的范围被SACK的第二个段覆盖,那么就是D-SACK

示例一:ACK丢包

下面的示例中,丢了两个ACK,所以,发送端重传了第一个数据包(3000-3499),于是接收端发现重复收到,于是回了一个SACK=3000-3500,因为ACK都到了4000意味着收到了4000之前的所有数据,所以这个SACK就是D-SACK——旨在告诉发送端我收到了重复的数据,而且我们的发送端还知道,数据包没有丢,丢的是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,网络延误

下面的示例中,网络包(1000-1499)被网络给延误了,导致发送方没有收到ACK,而后面到达的三个包触发了“Fast Retransmit算法”,所以重传,但重传时,被延误的包又到了,所以,回了一个SACK=1000-1500,因为ACK已到了3000,所以,这个SACK是D-SACK——标识收到了重复的包。

这个案例下,发送端知道之前因为“Fast Retransmit算法”触发的重传不是因为发出去的包丢了,也不是因为回应的ACK包丢了,而是因为网络延时了。

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
---------
可见,引入了D-SACK,有这么几个好处:

1)可以让发送方知道,是发出去的包丢了,还是回来的ACK包丢了。

2)是不是自己的timeout太小了,导致重传。

3)网络上出现了先发的包后到的情况(又称reordering)

4)网络上是不是把我的数据包给复制了。

知道这些东西可以很好得帮助TCP了解网络情况,从而可以更好的做网络上的流控。

Linux下的tcp_dsack参数用于开启这个功能(Linux 2.4后默认打开)。

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