TCP一定能保證數(shù)據(jù)不丟失嗎？

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TCP 是一個(gè)可靠的傳輸協(xié)議，那它一定能保證數(shù)據(jù)不丟失嗎？

這次，就跟大家探討這個(gè)問題。

數(shù)據(jù)包的發(fā)送流程

首先，我們兩個(gè)手機(jī)的綠皮聊天軟件客戶端，要通信，中間會(huì)通過它們家服務(wù)器。大概長這樣。

但為了簡化模型，我們把中間的服務(wù)器給省略掉，假設(shè)這是個(gè)端到端的通信。且為了保證消息的可靠性，我們盲猜它們之間用的是TCP協(xié)議進(jìn)行通信。

為了發(fā)送數(shù)據(jù)包，兩端首先會(huì)通過三次握手，建立TCP連接。

一個(gè)數(shù)據(jù)包，從聊天框里發(fā)出，消息會(huì)從聊天軟件所在的用戶空間拷貝到內(nèi)核空間的發(fā)送緩沖區(qū)（send buffer），數(shù)據(jù)包就這樣順著傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層，進(jìn)入到數(shù)據(jù)鏈路層，在這里數(shù)據(jù)包會(huì)經(jīng)過流控（qdisc），再通過RingBuffer發(fā)到物理層的網(wǎng)卡。數(shù)據(jù)就這樣順著網(wǎng)卡發(fā)到了紛繁復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)世界里。這里頭數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過n多個(gè)路由器和交換機(jī)之間的跳轉(zhuǎn)，最后到達(dá)目的機(jī)器的網(wǎng)卡處。

此時(shí)目的機(jī)器的網(wǎng)卡會(huì)通知DMA將數(shù)據(jù)包信息放到RingBuffer中，再觸發(fā)一個(gè)硬中斷給CPU，CPU觸發(fā)軟中斷讓ksoftirqd去RingBuffer收包，于是一個(gè)數(shù)據(jù)包就這樣順著物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層，最后從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間里的聊天軟件里。

畫了那么大一張圖，只水了200字做解釋，我多少是有些心痛的。

到這里，拋開一些細(xì)節(jié)，大家大概知道了一個(gè)數(shù)據(jù)包從發(fā)送到接收的宏觀過程。

可以看到，這上面全是密密麻麻的名詞。

整條鏈路下來，有不少地方可能會(huì)發(fā)生丟包。

但為了不讓大家保持蹲姿太久影響身體健康，我這邊只重點(diǎn)講下幾個(gè)常見容易發(fā)生丟包的場景。

建立連接時(shí)丟包

TCP協(xié)議會(huì)通過三次握手建立連接。大概長下面這樣。

在服務(wù)端，第一次握手之后，會(huì)先建立個(gè)半連接，然后再發(fā)出第二次握手。這時(shí)候需要有個(gè)地方可以暫存這些半連接。這個(gè)地方就叫半連接隊(duì)列。

如果之后第三次握手來了，半連接就會(huì)升級為全連接，然后暫存到另外一個(gè)叫全連接隊(duì)列的地方，坐等程序執(zhí)行accept()方法將其取走使用。

是隊(duì)列就有長度，有長度就有可能會(huì)滿，如果它們滿了，那新來的包就會(huì)被丟棄。

可以通過下面的方式查看是否存在這種丟包行為。

#?全連接隊(duì)列溢出次數(shù)
#?netstat?-s?|?grep?overflowed
????4343?times?the?listen?queue?of?a?socket?overflowed

#?半連接隊(duì)列溢出次數(shù)
#?netstat?-s?|?grep?-i?"SYNs?to?LISTEN?sockets?dropped"
????109?times?the?listen?queue?of?a?socket?overflowed?

從現(xiàn)象來看就是連接建立失敗。

流量控制丟包

應(yīng)用層能發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的軟件有那么多，如果所有數(shù)據(jù)不加控制一股腦沖入到網(wǎng)卡，網(wǎng)卡會(huì)吃不消，那怎么辦？讓數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則排個(gè)隊(duì)依次處理，也就是所謂的qdisc(Queueing Disciplines，排隊(duì)規(guī)則)，這也是我們常說的流量控制機(jī)制。

排隊(duì)，得先有個(gè)隊(duì)列，而隊(duì)列有個(gè)長度。

我們可以通過下面的ifconfig命令查看到，里面涉及到的txqueuelen后面的數(shù)字1000，其實(shí)就是流控隊(duì)列的長度。

當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)過快，流控隊(duì)列長度txqueuelen又不夠大時(shí)，就容易出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

可以通過下面的ifconfig命令，查看TX下的dropped字段，當(dāng)它大于0時(shí)，則有可能是發(fā)生了流控丟包。

#?ifconfig?eth0
eth0:?flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>??mtu?1500
????????inet?172.21.66.69??netmask?255.255.240.0??broadcast?172.21.79.255
????????inet6?fe80:3eff269f??prefixlen?64??scopeid?0x20<link>
????????ether?003e26:9f??txqueuelen?1000??(Ethernet)
????????RX?packets?6962682??bytes?1119047079?(1.0?GiB)
????????RX?errors?0??dropped?0??overruns?0??frame?0
????????TX?packets?9688919??bytes?2072511384?(1.9?GiB)
????????TX?errors?0??dropped?0?overruns?0??carrier?0??collisions?0

當(dāng)遇到這種情況時(shí)，我們可以嘗試修改下流控隊(duì)列的長度。比如像下面這樣將eth0網(wǎng)卡的流控隊(duì)列長度從1000提升為1500.

#?ifconfig?eth0?txqueuelen?1500

網(wǎng)卡丟包

網(wǎng)卡和它的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致丟包的場景也比較常見，原因很多，比如網(wǎng)線質(zhì)量差，接觸不良。除此之外，我們來聊幾個(gè)常見的場景。

RingBuffer過小導(dǎo)致丟包

上面提到，在接收數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)暫存到RingBuffer接收緩沖區(qū)中，然后等著內(nèi)核觸發(fā)軟中斷慢慢收走。如果這個(gè)緩沖區(qū)過小，而這時(shí)候發(fā)送的數(shù)據(jù)又過快，就有可能發(fā)生溢出，此時(shí)也會(huì)產(chǎn)生丟包。

我們可以通過下面的命令去查看是否發(fā)生過這樣的事情。

#?ifconfig
eth0:??RX?errors?0??dropped?0??overruns?0??frame?0

查看上面的overruns指標(biāo)，它記錄了由于RingBuffer長度不足導(dǎo)致的溢出次數(shù)。

當(dāng)然，用ethtool命令也能查看。

#?ethtool?-S?eth0|grep?rx_queue_0_drops

但這里需要注意的是，因?yàn)橐粋€(gè)網(wǎng)卡里是可以有多個(gè)RingBuffer的，所以上面的rx_queue_0_drops里的0代表的是第0個(gè)RingBuffer的丟包數(shù)，對于多隊(duì)列的網(wǎng)卡，這個(gè)0還可以改成其他數(shù)字。但我的家庭條件不允許我看其他隊(duì)列的丟包數(shù)，所以上面的命令對我來說是夠用了。。。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)有這類型丟包的時(shí)候，可以通過下面的命令查看當(dāng)前網(wǎng)卡的配置。

#ethtool?-g?eth0
Ring?parameters?for?eth0:
Pre-set?maximums:
RX:????????4096
RX?Mini:????0
RX?Jumbo:????0
TX:????????4096
Current?hardware?settings:
RX:????????1024
RX?Mini:????0
RX?Jumbo:????0
TX:????????1024

上面的輸出內(nèi)容，含義是RingBuffer最大支持4096的長度，但現(xiàn)在實(shí)際只用了1024。

想要修改這個(gè)長度可以執(zhí)行ethtool -G eth1 rx 4096 tx 4096將發(fā)送和接收RingBuffer的長度都改為4096。

RingBuffer增大之后，可以減少因?yàn)槿萘啃《鴮?dǎo)致的丟包情況。

網(wǎng)卡性能不足

網(wǎng)卡作為硬件，傳輸速度是有上限的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度過大，達(dá)到網(wǎng)卡上限時(shí)，就會(huì)發(fā)生丟包。這種情況一般常見于壓測場景。

我們可以通過ethtool加網(wǎng)卡名，獲得當(dāng)前網(wǎng)卡支持的最大速度。

#?ethtool?eth0
Settings?for?eth0:
????Speed:?10000Mb/s

可以看到，我這邊用的網(wǎng)卡能支持的最大傳輸速度speed=1000Mb/s。

也就是俗稱的千兆網(wǎng)卡，但注意這里的單位是Mb，這里的b是指bit，而不是Byte。1Byte=8bit。所以10000Mb/s還要除以8，也就是理論上網(wǎng)卡最大傳輸速度是1000/8 = 125MB/s。

我們可以通過sar命令從網(wǎng)絡(luò)接口層面來分析數(shù)據(jù)包的收發(fā)情況。

#?sar?-n?DEV?1
Linux?3.10.0-1127.19.1.el7.x86_64??????2022年07月27日?????_x86_64_????(1?CPU)

08時(shí)35分39秒?????IFACE???rxpck/s???txpck/s????rxkB/s????txkB/s????rxcmp/s???txcmp/s??rxmcst/s
08時(shí)35分40秒??????eth0??????6.06??????4.04??????0.35????121682.33???0.00????0.00?????0.00

其中 txkB/s是指當(dāng)前每秒發(fā)送的字節(jié)（byte）總數(shù)，rxkB/s是指每秒接收的字節(jié)（byte）總數(shù)。

當(dāng)兩者加起來的值約等于12~13w字節(jié)的時(shí)候，也就對應(yīng)大概125MB/s的傳輸速度。此時(shí)達(dá)到網(wǎng)卡性能極限，就會(huì)開始丟包。

遇到這個(gè)問題，優(yōu)先看下你的服務(wù)是不是真有這么大的真實(shí)流量，如果是的話可以考慮下拆分服務(wù)，或者就忍痛充錢升級下配置吧。

接收緩沖區(qū)丟包

我們一般使用TCP socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程的時(shí)候，內(nèi)核都會(huì)分配一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)和一個(gè)接收緩沖區(qū)。

當(dāng)我們想要發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包，會(huì)在代碼里執(zhí)行send(msg)，這時(shí)候數(shù)據(jù)包并不是一把梭直接就走網(wǎng)卡飛出去的。而是將數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核發(fā)送緩沖區(qū)就完事返回了，至于什么時(shí)候發(fā)數(shù)據(jù)，發(fā)多少數(shù)據(jù)，這個(gè)后續(xù)由內(nèi)核自己做決定。

而接收緩沖區(qū)作用也類似，從外部網(wǎng)絡(luò)收到的數(shù)據(jù)包就暫存在這個(gè)地方，然后坐等用戶空間的應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)包取走。

這兩個(gè)緩沖區(qū)是有大小限制的，可以通過下面的命令去查看。

#?查看接收緩沖區(qū)
#?sysctl?net.ipv4.tcp_rmem
net.ipv4.tcp_rmem?=?4096????87380???6291456

#?查看發(fā)送緩沖區(qū)
#?sysctl?net.ipv4.tcp_wmem
net.ipv4.tcp_wmem?=?4096????16384???4194304

不管是接收緩沖區(qū)還是發(fā)送緩沖區(qū)，都能看到三個(gè)數(shù)值，分別對應(yīng)緩沖區(qū)的最小值，默認(rèn)值和最大值 （min、default、max）。緩沖區(qū)會(huì)在min和max之間動(dòng)態(tài)調(diào)整。

那么問題來了，如果緩沖區(qū)設(shè)置過小會(huì)怎么樣？

對于發(fā)送緩沖區(qū)，執(zhí)行send的時(shí)候，如果是阻塞調(diào)用，那就會(huì)等，等到緩沖區(qū)有空位可以發(fā)數(shù)據(jù)。

如果是非阻塞調(diào)用，就會(huì)立刻返回一個(gè) EAGAIN 錯(cuò)誤信息，意思是 ?Try again。讓應(yīng)用程序下次再重試。這種情況下一般不會(huì)發(fā)生丟包。

當(dāng)接受緩沖區(qū)滿了，事情就不一樣了，它的TCP接收窗口會(huì)變?yōu)?，也就是所謂的零窗口，并且會(huì)通過數(shù)據(jù)包里的win=0，告訴發(fā)送端，"球球了，頂不住了，別發(fā)了"。一般這種情況下，發(fā)送端就該停止發(fā)消息了，但如果這時(shí)候確實(shí)還有數(shù)據(jù)發(fā)來，就會(huì)發(fā)生丟包。

我們可以通過下面的命令里的TCPRcvQDrop查看到有沒有發(fā)生過這種丟包現(xiàn)象。

cat?/proc/net/netstat
TcpExt:?SyncookiesSent?TCPRcvQDrop?SyncookiesFailed
TcpExt:?0??????????????157??????????????60116

但是說個(gè)傷心的事情，我們一般也看不到這個(gè)TCPRcvQDrop，因?yàn)檫@個(gè)是5.9版本里引入的打點(diǎn)，而我們的服務(wù)器用的一般是2.x~3.x左右版本。你可以通過下面的命令查看下你用的是什么版本的linux內(nèi)核。

#?cat?/proc/version
Linux?version?3.10.0-1127.19.1.el7.x86_64

兩端之間的網(wǎng)絡(luò)丟包

前面提到的是兩端機(jī)器內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)丟包，除此之外，兩端之間那么長的一條鏈路都屬于外部網(wǎng)絡(luò)，這中間有各種路由器和交換機(jī)還有光纜啥的，丟包也是很經(jīng)常發(fā)生的。

這些丟包行為發(fā)生在中間鏈路的某些個(gè)機(jī)器上，我們當(dāng)然是沒權(quán)限去登錄這些機(jī)器。但我們可以通過一些命令觀察整個(gè)鏈路的連通情況。

ping命令查看丟包

比如我們知道目的地的域名是 baidu.com。想知道你的機(jī)器到baidu服務(wù)器之間，有沒有產(chǎn)生丟包行為。可以使用ping命令。

倒數(shù)第二行里有個(gè)100% packet loss，意思是丟包率100%。

但這樣其實(shí)你只能知道你的機(jī)器和目的機(jī)器之間有沒有丟包。

那如果你想知道你和目的機(jī)器之間的這條鏈路，哪個(gè)節(jié)點(diǎn)丟包了，有沒有辦法呢?

有。

mtr命令

mtr命令可以查看到你的機(jī)器和目的機(jī)器之間的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的丟包情況。

像下面這樣執(zhí)行命令。

其中 -r 是指report，以報(bào)告的形式打印結(jié)果。

可以看到Host那一列，出現(xiàn)的都是鏈路中間每一跳的機(jī)器，Loss的那一列就是指這一跳對應(yīng)的丟包率。

需要注意的是，中間有一些是host是???，那個(gè)是因?yàn)?strong style="font-weight:bold;line-height:1.75em;color:#304FFE;">mtr默認(rèn)用的是ICMP包，有些節(jié)點(diǎn)限制了ICMP包，導(dǎo)致不能正常展示。

我們可以在mtr命令里加個(gè)-u，也就是使用udp包，就能看到部分???對應(yīng)的IP。

把ICMP包和UDP包的結(jié)果拼在一起看，就是比較完整的鏈路圖了。

還有個(gè)小細(xì)節(jié)，Loss那一列，我們在icmp的場景下，關(guān)注最后一行，如果是0%，那不管前面loss是100%還是80%都無所謂，那些都是節(jié)點(diǎn)限制導(dǎo)致的虛報(bào)。

但如果最后一行是20%，再往前幾行都是20%左右，那說明丟包就是從最接近的那一行開始產(chǎn)生的，長時(shí)間是這樣，那很可能這一跳出了點(diǎn)問題。如果是公司內(nèi)網(wǎng)的話，你可以帶著這條線索去找對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)同事。如果是外網(wǎng)的話，那耐心點(diǎn)等等吧，別人家的開發(fā)會(huì)比你更著急。

發(fā)生丟包了怎么辦

說了這么多。只是想告訴大家，丟包是很常見的，幾乎不可避免的一件事情。

但問題來了，發(fā)生丟包了怎么辦？

這個(gè)好辦，用TCP協(xié)議去做傳輸。

建立了TCP連接的兩端，發(fā)送端在發(fā)出數(shù)據(jù)后會(huì)等待接收端回復(fù)ack包，ack包的目的是為了告訴對方自己確實(shí)收到了數(shù)據(jù)，但如果中間鏈路發(fā)生了丟包，那發(fā)送端會(huì)遲遲收不到確認(rèn)ack，于是就會(huì)進(jìn)行重傳。以此來保證每個(gè)數(shù)據(jù)包都確確實(shí)實(shí)到達(dá)了接收端。

假設(shè)現(xiàn)在網(wǎng)斷了，我們還用聊天軟件發(fā)消息，聊天軟件會(huì)使用TCP不斷嘗試重傳數(shù)據(jù)，如果重傳期間網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)了，那數(shù)據(jù)就能正常發(fā)過去。但如果多次重試直到超時(shí)都還是失敗，這時(shí)候你將收獲一個(gè)紅色感嘆號。

這時(shí)候問題又來了。

假設(shè)某綠皮聊天軟件用的就是TCP協(xié)議。

那文章開頭提到的女生，她男朋友回她的消息時(shí)為什么還會(huì)丟包？畢竟丟包了會(huì)重試，重試失敗了還會(huì)出現(xiàn)紅色感嘆號。

于是乎，問題就變成了，用了TCP協(xié)議，就一定不會(huì)丟包嗎？

用了TCP協(xié)議就一定不會(huì)丟包嗎

我們知道TCP位于傳輸層，在它的上面還有各種應(yīng)用層協(xié)議，比如常見的HTTP或者各類RPC協(xié)議。

TCP保證的可靠性，是傳輸層的可靠性。也就是說，TCP只保證數(shù)據(jù)從A機(jī)器的傳輸層可靠地發(fā)到B機(jī)器的傳輸層。

至于數(shù)據(jù)到了接收端的傳輸層之后，能不能保證到應(yīng)用層，TCP并不管。

假設(shè)現(xiàn)在，我們輸入一條消息，從聊天框發(fā)出，走到傳輸層TCP協(xié)議的發(fā)送緩沖區(qū)，不管中間有沒有丟包，最后通過重傳都保證發(fā)到了對方的傳輸層TCP接收緩沖區(qū)，此時(shí)接收端回復(fù)了一個(gè)ack，發(fā)送端收到這個(gè)ack后就會(huì)將自己發(fā)送緩沖區(qū)里的消息給扔掉。到這里TCP的任務(wù)就結(jié)束了。

TCP任務(wù)是結(jié)束了，但聊天軟件的任務(wù)沒結(jié)束。

聊天軟件還需要將數(shù)據(jù)從TCP的接收緩沖區(qū)里讀出來，如果在讀出來這一刻，手機(jī)由于內(nèi)存不足或其他各種原因，導(dǎo)致軟件崩潰閃退了。

發(fā)送端以為自己發(fā)的消息已經(jīng)發(fā)給對方了，但接收端卻并沒有收到這條消息。

于是乎，消息就丟了。

雖然概率很小，但它就是發(fā)生了。

合情合理，邏輯自洽。

這類丟包問題怎么解決？

故事到這里也到尾聲了，感動(dòng)之余，我們來聊點(diǎn)掏心窩子的話。

其實(shí)前面說的都對，沒有一句是假話。

但某綠皮聊天軟件這么成熟，怎么可能沒考慮過這一點(diǎn)呢。

大家應(yīng)該還記得我們文章開頭提到過，為了簡單，就將服務(wù)器那一方給省略了，從三端通信變成了兩端通信，所以才有了這個(gè)丟包問題。

現(xiàn)在我們重新將服務(wù)器加回來。

大家有沒有發(fā)現(xiàn)，有時(shí)候我們在手機(jī)里聊了一大堆內(nèi)容，然后登錄電腦版，它能將最近的聊天記錄都同步到電腦版上。也就是說服務(wù)器可能記錄了我們最近發(fā)過什么數(shù)據(jù)，假設(shè)每條消息都有個(gè)id，服務(wù)器和聊天軟件每次都拿最新消息的id進(jìn)行對比，就能知道兩端消息是否一致，就像對賬一樣。

對于發(fā)送方，只要定時(shí)跟服務(wù)端的內(nèi)容對賬一下，就知道哪條消息沒發(fā)送成功，直接重發(fā)就好了。

如果接收方的聊天軟件崩潰了，重啟后跟服務(wù)器稍微通信一下就知道少了哪條數(shù)據(jù)，同步上來就是了，所以也不存在上面提到的丟包情況。

可以看出，TCP只保證傳輸層的消息可靠性，并不保證應(yīng)用層的消息可靠性。如果我們還想保證應(yīng)用層的消息可靠性，就需要應(yīng)用層自己去實(shí)現(xiàn)邏輯做保證。

那么問題叒來了，兩端通信的時(shí)候也能對賬，為什么還要引入第三端服務(wù)器？

主要有三個(gè)原因。

• 第一，如果是兩端通信，你聊天軟件里有1000個(gè)好友，你就得建立1000個(gè)連接。但如果引入服務(wù)端，你只需要跟服務(wù)器建立1個(gè)連接就夠了，聊天軟件消耗的資源越少，手機(jī)就越省電。
• 第二，就是安全問題，如果還是兩端通信，隨便一個(gè)人找你對賬一下，你就把聊天記錄給同步過去了，這并不合適吧。如果對方別有用心，信息就泄露了。引入第三方服務(wù)端就可以很方便的做各種鑒權(quán)校驗(yàn)。
• 第三，是軟件版本問題。軟件裝到用戶手機(jī)之后，軟件更不更新就是由用戶說了算了。如果還是兩端通信，且兩端的軟件版本跨度太大，很容易產(chǎn)生各種兼容性問題，但引入第三端服務(wù)器，就可以強(qiáng)制部分過低版本升級，否則不能使用軟件。但對于大部分兼容性問題，給服務(wù)端加兼容邏輯就好了，不需要強(qiáng)制用戶更新軟件。

所以看到這里大家應(yīng)該明白了，我把服務(wù)端去掉，并不單純是為了簡單。

總結(jié)

• 數(shù)據(jù)從發(fā)送端到接收端，鏈路很長，任何一個(gè)地方都可能發(fā)生丟包，幾乎可以說丟包不可避免。
• 平時(shí)沒事也不用關(guān)注丟包，大部分時(shí)候TCP的重傳機(jī)制保證了消息可靠性。
• 當(dāng)你發(fā)現(xiàn)服務(wù)異常的時(shí)候，比如接口延時(shí)很高，總是失敗的時(shí)候，可以用ping或者mtr命令看下是不是中間鏈路發(fā)生了丟包。
• TCP只保證傳輸層的消息可靠性，并不保證應(yīng)用層的消息可靠性。如果我們還想保證應(yīng)用層的消息可靠性，就需要應(yīng)用層自己去實(shí)現(xiàn)邏輯做保證。

審核編輯 ：李倩
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