TCP是一個巨復(fù)雜的協(xié)議，因?yàn)樗鉀Q很多問題，而這些問題又帶出了很多子問題和陰暗面。所以學(xué)習(xí)TCP本身是個比較痛苦的過程，但對于學(xué)習(xí)的過程卻能讓人有很多收獲。

一、TCP協(xié)議的定義

TCP在網(wǎng)絡(luò)OSI的七層模型中的第四層——Transport層，IP在第三層——Network層，ARP在第二層——Data Link層，在第二層上的數(shù)據(jù)，我們叫Frame，在第三層上的數(shù)據(jù)叫Packet，第四層的數(shù)據(jù)叫Segment。

首先，我們需要知道，我們程序的數(shù)據(jù)首先會打到TCP的Segment中，然后TCP的Segment會打到IP的Packet中，然后再打到以太網(wǎng)Ethernet的Frame中，傳到對端后，各個層解析自己的協(xié)議，然后把數(shù)據(jù)交給更高層的協(xié)議處理。

TCP頭格式

TCP協(xié)議是面向連接的協(xié)議，把連接作為最基本的抽象。每一條TCP連接唯一的被通信兩端的兩個端點(diǎn)所確定。TCP協(xié)議是點(diǎn)對點(diǎn)，而不是點(diǎn)對多點(diǎn)。端點(diǎn)又被稱為套接字，TCP協(xié)議規(guī)定，IP地址拼接端口號就構(gòu)成套接字。

接下來，我們來看一下TCP頭的格式：

1、seq：序號。TCP協(xié)議是面向字節(jié)流的，在一個TCP連接中的傳送的字節(jié)流的每一個字節(jié)都是按照順序編號，seq需要占用4個字節(jié)，所以范圍是[0 4294967296]，序號可以重復(fù)使用。TCP規(guī)定，首部中序號字段值是本報文段所發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號。序號用于跟蹤該端發(fā)送的數(shù)據(jù)量。4294967296個字節(jié)（2的32次方），如果不重復(fù)利用就是4G的數(shù)據(jù)量。序號為當(dāng)前端成功發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，確認(rèn)號為當(dāng)前端成功接收的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，SYN標(biāo)志位和FIN標(biāo)志位也各自要占用1個序號。TCP的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ACK報文段可以攜帶數(shù)據(jù)，但如果不攜帶數(shù)據(jù)則不消耗序號。A（客戶端）把自己的初始化序列號放在SYN數(shù)據(jù)包中發(fā)送給B（服務(wù)器），B收到后會回發(fā)一個SYN+ACK數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包中B會把收到的來自A的序列號加一后的值發(fā)送回去（確認(rèn)號），同時數(shù)據(jù)包中也包含B的初始化序列號,當(dāng)A收到數(shù)據(jù)后發(fā)送一個ACK數(shù)據(jù)包其中包含了B發(fā)過來的序列號加一后所得的數(shù)值（確認(rèn)號）。

2、ACK：僅當(dāng)ACK=1時確認(rèn)字段才有效，當(dāng)ACK=0時確認(rèn)字段無效，并且TCP規(guī)定，在連接建立后所有的傳送報文段都必須要把ACK置為1。

3、SYN：同步序列號，用來發(fā)起一個連接。當(dāng)SYN=1而ACK=0時表明這是一個請求報文段；若對方同意連接，則響應(yīng)報文中SYN=1，ACK=1。

4、FIN ：用來釋放一個連接，當(dāng)FIN=1表示此報文段的發(fā)送方已經(jīng)發(fā)送完畢。并要求釋放鏈接。

5、SYN、ACK、FIN是標(biāo)志位，在屬性flag中，flag占用一個字節(jié)。含有SYN或FIN標(biāo)志位的包并不攜帶有效數(shù)據(jù)。

注：SYN位被啟動時，向?qū)Ψ礁嬷约海蛻舳嘶蛘叻?wù)器）的初始序列號以便對方知道如何接收自己發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包。如果是ACK比特位被啟動，它表明數(shù)據(jù)包用于通知接收方我收到了你上次發(fā)來的數(shù)據(jù)。

你需要注意這么幾點(diǎn)：

1、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(biāo)端口。

2、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(zhǔn)確說是五元組，還有一個是協(xié)議。但因?yàn)檫@里只是說TCP協(xié)議，所以，這里我只說四元組。

3、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(luò)包亂序（reordering）問題。
• Acknowledgement Number就是ACK——用于確認(rèn)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(jī)的。

關(guān)于其它的東西，可以參看下面的圖示：

TCP的狀態(tài)機(jī)

其實(shí)，網(wǎng)絡(luò)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(shí)只不過是在通訊的雙方維護(hù)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。

可靠數(shù)據(jù)運(yùn)輸原理：

1、TCP協(xié)議發(fā)送兩種數(shù)據(jù)包，一種數(shù)據(jù)包用來傳輸數(shù)據(jù)，一種數(shù)據(jù)包用來發(fā)送控制信息。TCP數(shù)據(jù)都會有一個包頭，包頭中有相應(yīng)標(biāo)志位，標(biāo)志位的設(shè)定用于表明數(shù)據(jù)包是用于數(shù)據(jù)發(fā)送還是用于傳輸控制信息。

2、TCP建立一個連接需要三個報文段：

情況1：防止已失效的請求報文段突然又傳送到了服務(wù)端而產(chǎn)生連接的誤判。

客戶端發(fā)送了一個連接請求報文段A到服務(wù)端，但是在某些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上長時間滯留了，而后客戶端又超時重發(fā)了一個連接請求報文段B該服務(wù)端，而后 正常建立連接，數(shù)據(jù)傳輸完畢，并釋放了連接。但是請求報文段A延遲了一段時間后，又到了服務(wù)端，這本是一個早已失效的報文段，但是服務(wù)端收到后會誤以為客戶端又發(fā)出了一次連接請求，于是向客戶端發(fā)出確認(rèn)報文段，并同意建立連接。那么問題來了，假如這里沒有三次握手，這時服務(wù)端只要發(fā)送了確認(rèn)，新的連接就建立了，但由于客戶端沒有發(fā)出建立連接的請求，因此不會理會服務(wù)端的確認(rèn)，也不會向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)，而服務(wù)端卻認(rèn)為新的連接已經(jīng)建立了，并在 一直等待客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣服務(wù)端就會一直等待下去，直到超出?；钣嫈?shù)器的設(shè)定值，而將客戶端判定為出了問題，才會關(guān)閉這個連接。這樣就浪費(fèi)了很多服務(wù) 器的資源。而如果采用三次握手，客戶端就不會向服務(wù)端發(fā)出確認(rèn)，服務(wù)端由于收不到確認(rèn)，就知道客戶端沒有要求建立連接，從而不建立該連接。

情況2：防止形成死鎖。

服務(wù)器的SYN和ACK報文段沒有發(fā)送到客戶端，服務(wù)器認(rèn)為連接已經(jīng)建立，但是客戶端不知道服務(wù)器是否已準(zhǔn)備好，不知道服務(wù)器建立什么樣的序列號?？蛻舳苏J(rèn)為連接還未建立成功，將忽略服務(wù)器發(fā)來的任何數(shù)據(jù)分組，只等待連接確認(rèn)應(yīng)答分組。而服務(wù)器在發(fā)出的分組超時后，重復(fù)發(fā)送同樣的分組。這樣就形成了死鎖。

3、TCP釋放一個連接卻需要四個報文段

第一個報文段，客戶端向服務(wù)器發(fā)送釋放連接報文段，釋放連接報文段FIN置1，此時客戶端序列號為w

第二個報文段，服務(wù)器回復(fù)確認(rèn)收到客戶端釋放連接報文段的報文段，確認(rèn)號u+1,之后客戶端不會像服務(wù)器發(fā)送報文段，但是服務(wù)器可以向客戶端發(fā)送報文段，全部發(fā)送完成服務(wù)器的序列號為v，客戶端的確認(rèn)號為v，但是客戶端序列號為w+1

第三個報文段，服務(wù)器向客戶端發(fā)送釋放連接報文段，服務(wù)器序列號v+1,確認(rèn)號還是w+1

第四個報文段，客戶端回復(fù)確認(rèn)收到服務(wù)器的釋放連接報文段的報文段，,客戶端的確認(rèn)號+1，序列號+1。

服務(wù)器收到第四個報文段，就進(jìn)入CLOSED狀態(tài)；客戶端要等待最長報文段壽命（2MSL），才進(jìn)入到CLOSED狀態(tài)。

注：

1、MSL是任何IP數(shù)據(jù)報能夠在網(wǎng)絡(luò)中存活的最長時間，每個數(shù)據(jù)報含有一個稱為跳限（hop limit）的8位字段，它的最大值是255，即最大為255跳。具有最大跳限的數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡(luò)中存在的時間不可能超過MSL秒。

2、客戶端在TIME-WAIT狀態(tài)必須2MSL的時間的兩個理由：

可靠地實(shí)現(xiàn)TCP全雙工連接的終止：第四個報文段如果丟失，在2MSL時間內(nèi)服務(wù)器會重新發(fā)送第三報文段客戶端接收到之后重新發(fā)送第四報文段。

防止“已失效的連接請求報文段”出現(xiàn)在本連接中，在2MSL時間之后，本連接持續(xù)的時間內(nèi)所產(chǎn)生的所有報文段都會網(wǎng)絡(luò)中消失。因?yàn)橐粋€TCP端口不能同時被打開多次，如果沒有TIME-WAIT狀態(tài)，TCP端口關(guān)閉之后在TIME-WAIT時間內(nèi)重新打開，可能會接受原來還沒有消失的報文段，這是不能發(fā)生的?。。?/p>

下面是：“TCP協(xié)議的狀態(tài)機(jī)” 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(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，就知道這個協(xié)議有多復(fù)雜，復(fù)雜的東西總是有很多坑爹的事情，所以TCP協(xié)議其實(shí)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(yīng)用層接收到的數(shù)據(jù)不會因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)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(shí)你仔細(xì)看是2次，因?yàn)門CP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(jìn)入到CLOSING狀態(tài)，然后到達(dá)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(jī)看）：

兩端同時斷連接

另外，有幾個事情需要注意一下：

• 關(guān)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(nèi)沒有收到的TCP會重發(fā)SYN-ACK。在Linux下，默認(rèn)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(guān)于SYN Flood攻擊。一些惡意的人就為此制造了SYN Flood攻擊——給服務(wù)器發(fā)了一個SYN后，就下線了，于是服務(wù)器需要默認(rèn)等63s才會斷開連接，這樣，攻擊者就可以把服務(wù)器的syn連接的隊(duì)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(yīng)對這個事——當(dāng)SYN隊(duì)列滿了后，TCP會通過源地址端口、目標(biāo)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(yīng)，如果是正常連接，則會把這個 SYN Cookie發(fā)回來，然后服務(wù)端可以通過cookie建連接（即使你不在SYN隊(duì)列中）。請注意，請先千萬別用tcp_syncookies來處理正常的大負(fù)載的連接的情況。因?yàn)?，synccookies是妥協(xié)版的TCP協(xié)議，并不嚴(yán)謹(jǐn)。對于正常的請求，你應(yīng)該調(diào)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(guān)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(luò)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(dāng)成了新連接的包，此時，client的Sequence Number 可能是3，而Server端認(rèn)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?yàn)?，我們假設(shè)我們的TCP Segment在網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(shè)置，這個超時設(shè)置是 2*MSL（RFC793定義了MSL為2分鐘，Linux設(shè)置成了30s）為什么要這有TIME_WAIT？為什么不直接給轉(zhuǎn)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(guān)閉的那方?jīng)]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）。
• 關(guān)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(shè)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(rèn)值都是被關(guān)閉的，后者recyle比前者resue更為激進(jìn)，resue要溫柔一些。另外，如果使用tcp_tw_reuse，必需設(shè)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?yàn)槿缟鲜鲆粯?，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(guān)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(shè)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(rèn)值都是被關(guān)閉的，后者recyle比前者resue更為激進(jìn)，resue要溫柔一些。另外，如果使用tcp_tw_reuse，必需設(shè)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?yàn)槿缟鲜鲆粯?，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(guān)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(guān)于tcp_tw_recycle。如果是tcp_tw_recycle被打開了話，會假設(shè)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(luò)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(fù)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）
• 關(guān)于tcp_max_tw_buckets。這個是控制并發(fā)的TIME_WAIT的數(shù)量，默認(rèn)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(rèn)值180000并不小。這個還是需要根據(jù)實(shí)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?yàn)檫@兩個參數(shù)違反了TCP協(xié)議（RFC 1122）

其實(shí)，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(wù)器是于HTTP服務(wù)器，那么設(shè)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(guān)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連接狀態(tài)總結(jié)：

一、LISTENING

提供某種服務(wù)，偵聽遠(yuǎn)方TCP端口的連接請求，當(dāng)提供的服務(wù)沒有被連接時，處于LISTENING狀態(tài)，端口是開放的，等待被連接。

二、SYN_SENT (客戶端狀態(tài))

客戶端調(diào)用connect，發(fā)送一個SYN請求建立一個連接，在發(fā)送連接請求后等待匹配的連接請求，此時狀態(tài)為SYN_SENT.

三、SYN_RECEIVED (服務(wù)端狀態(tài))

在收到和發(fā)送一個連接請求后，等待對方對連接請求的確認(rèn)，當(dāng)服務(wù)器收到客戶端發(fā)送的同步信號時，將標(biāo)志位ACK和SYN置1發(fā)送給客戶端，此時服務(wù)器端處于SYN_RCVD狀態(tài)，如果連接成功了就變?yōu)镋STABLISHED，正常情況下SYN_RCVD狀態(tài)非常短暫。

四、ESTABLISHED

ESTABLISHED狀態(tài)是表示兩臺機(jī)器正在傳輸數(shù)據(jù)。

五、FIN-WAIT-1

等待遠(yuǎn)程TCP連接中斷請求，或先前的連接中斷請求的確認(rèn)，主動關(guān)閉端應(yīng)用程序調(diào)用close，TCP發(fā)出FIN請求主動關(guān)閉連接，之后進(jìn)入FIN_WAIT1狀態(tài)。

六、FIN-WAIT-2

從遠(yuǎn)程TCP等待連接中斷請求，主動關(guān)閉端接到ACK后，就進(jìn)入了FIN-WAIT-2 .這是在關(guān)閉連接時，客戶端和服務(wù)器兩次握手之后的狀態(tài)，是著名的半關(guān)閉的狀態(tài)了，在這個狀態(tài)下，應(yīng)用程序還有接受數(shù)據(jù)的能力，但是已經(jīng)無法發(fā)送數(shù)據(jù)，但是也有一種可能是，客戶端一直處于FIN_WAIT_2狀態(tài)，而服務(wù)器則一直處于WAIT_CLOSE狀態(tài)，而直到應(yīng)用層來決定關(guān)閉這個狀態(tài)。

附半關(guān)閉例圖：

七、CLOSE-WAIT

等待從本地用戶發(fā)來的連接中斷請求 ，被動關(guān)閉端TCP接到FIN后，就發(fā)出ACK以回應(yīng)FIN請求(它的接收也作為文件結(jié)束符傳遞給上層應(yīng)用程序),并進(jìn)入CLOSE_WAIT.

八、CLOSING

等待遠(yuǎn)程TCP對連接中斷的確認(rèn),處于此種狀態(tài)比較少見。

九、LAST-ACK

等待原來的發(fā)向遠(yuǎn)程TCP的連接中斷請求的確認(rèn),被動關(guān)閉端一段時間后，接收到文件結(jié)束符的應(yīng)用程序?qū)⒄{(diào)用CLOSE關(guān)閉連接,TCP也發(fā)送一個 FIN,等待對方的ACK.進(jìn)入LAST-ACK。

十、TIME-WAIT

在主動關(guān)閉端接收到FIN后，TCP就發(fā)送ACK包，并進(jìn)入TIME-WAIT狀態(tài),等待足夠的時間以確保遠(yuǎn)程TCP接收到連接中斷請求的確認(rèn),很大程度上保證了雙方都可以正常結(jié)束,但是也存在問題，須等待2MSL時間的過去才能進(jìn)行下一次連接。

**十一、CLOSED **

被動關(guān)閉端在接受到ACK包后，就進(jìn)入了closed的狀態(tài)，連接結(jié)束，沒有任何連接狀態(tài)。

附TCP正常連接建立和終止所對應(yīng)的狀態(tài)圖：

狀態(tài)遷移過程：

a、客戶端：

CLOSED->SYN_SENT->ESTABLISHED->FIN_WAIT_1->FIN_WAIT_2->TIME_WAIT->CLOSED

b、服務(wù)端

CLOSED->LISTEN->SYN_RECEIVED->ESTABLISHED->CLOSE_WAIT->LAST_ACK->CLOSE

在眾多狀態(tài)中，經(jīng)常關(guān)注的有兩個：TIME_WAIT、CLOSE_WAIT。

附狀態(tài)遷移過程圖：

二、丟包重傳機(jī)制

TCP重傳機(jī)制

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

注意，接收端給發(fā)送端的Ack確認(rèn)只會確認(rèn)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?yàn)檎缜懊嫠f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(rèn)，只能確認(rèn)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(jī)制

一種是不回ack，死等3，當(dāng)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(yán)重的問題，那就是因?yàn)橐赖?，所以會導(dǎo)致4和5即便已經(jīng)收到了，而發(fā)送方也完全不知道發(fā)生了什么事，因?yàn)闆]有收到Ack，所以，發(fā)送方可能會悲觀地認(rèn)為也丟了，所以有可能也會導(dǎo)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(diǎn)，但是會浪費(fèi)帶寬，也可能會有無用功。但總體來說都不好。因?yàn)槎荚诘萾imeout，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(jī)制

于是，TCP引入了一種叫Fast Retransmit 的算法，不以時間驅(qū)動，而以數(shù)據(jù)驅(qū)動重傳。也就是說，如果，包沒有連續(xù)到達(dá)，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(jié)果2因?yàn)槟承┰驔]收到，3到達(dá)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?yàn)?還是沒有收到，于是發(fā)送端收到了三個ack=2的確認(rèn)，知道了2還沒有到，于是就馬上重轉(zhuǎn)2。然后，接收端收到了2，此時因?yàn)?，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，是重傳之前的一個還是重傳所有的問題。對于上面的示例來說，是重傳#2呢還是重傳#2，#3，#4，#5呢？因?yàn)榘l(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(shí)際的實(shí)現(xiàn)）。可見，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(dāng)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(rèn)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(quán)把已經(jīng)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?yàn)檫@個事會把問題復(fù)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(nèi)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(hù)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(yuǎn)不能把SACK的包標(biāo)記為Ack。

注意：SACK會消費(fèi)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(xiàng)，這會導(dǎo)致發(fā)送方開始要重傳甚至遍歷已經(jīng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，這會消耗很多發(fā)送端的資源。

Duplicate SACK – 重復(fù)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(fù)接收了。RFC-2883 里有詳細(xì)描述和示例。下面舉幾個例子（來源于RFC-2883）

D-SACK使用了SACK的第一個段來做標(biāo)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(fù)收到，于是回了一個SACK=3000-3500，因?yàn)锳CK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(fù)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(luò)延誤

下面的示例中，網(wǎng)絡(luò)包（1000-1499）被網(wǎng)絡(luò)給延誤了，導(dǎo)致發(fā)送方?jīng)]有收到ACK，而后面到達(dá)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?yàn)锳CK已到了3000，所以，這個SACK是D-SACK——標(biāo)識收到了重復(fù)的包。

這個案例下，發(fā)送端知道之前因?yàn)椤癋ast Retransmit算法”觸發(fā)的重傳不是因?yàn)榘l(fā)出去的包丟了，也不是因?yàn)榛貞?yīng)的ACK包丟了，而是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)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(dǎo)致重傳。

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

4）網(wǎng)絡(luò)上是不是把我的數(shù)據(jù)包給復(fù)制了。

知道這些東西可以很好得幫助TCP了解網(wǎng)絡(luò)情況，從而可以更好的做網(wǎng)絡(luò)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(rèn)打開）

三、TCP的RTT算法

TCP要解決一個很大的事，那就是要在一個網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的情況來動態(tài)調(diào)整自己的發(fā)包的速度，小則讓自己的連接更穩(wěn)定，大則讓整個網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定。

從前面的TCP重傳機(jī)制我們知道Timeout的設(shè)置對于重傳非常重要。

• 設(shè)長了，重發(fā)就慢，丟了老半天才重發(fā)，沒有效率，性能差；
• 設(shè)短了，會導(dǎo)致可能并沒有丟就重發(fā)。于是重發(fā)的就快，會增加網(wǎng)絡(luò)擁塞，導(dǎo)致更多的超時，更多的超時導(dǎo)致更多的重發(fā)。

而且，這個超時時間在不同的網(wǎng)絡(luò)的情況下，根本沒有辦法設(shè)置一個死的值。只能動態(tài)地設(shè)置。為了動態(tài)地設(shè)置，TCP引入了RTT——Round Trip Time，也就是一個數(shù)據(jù)包從發(fā)出去到回來的時間。這樣發(fā)送端就大約知道需要多少的時間，從而可以方便地設(shè)置Timeout——RTO（Retransmission TimeOut），以讓我們的重傳機(jī)制更高效。聽起來似乎很簡單，好像就是在發(fā)送端發(fā)包時記下t0，然后接收端再把這個ack回來時再記一個t1，于是RTT = t1 – t0。沒那么簡單，這只是一個采樣，不能代表普遍情況。

經(jīng)典算法

RFC793 中定義的經(jīng)典算法是這樣的：

1）首先，先采樣RTT，記下最近好幾次的RTT值。

2）然后做平滑計算SRTT（ Smoothed RTT）。公式為：（其中的 α 取值在0.8 到 0.9之間，這個算法英文叫Exponential weighted moving average，中文叫：加權(quán)移動平均）

SRTT = ( α * SRTT ) + ((1- α) * RTT)

3）開始計算RTO。公式如下：

RTO = min [ UBOUND, max [ LBOUND, (β * SRTT) ] ]

其中：

• UBOUND是最大的timeout時間，上限值
• LBOUND是最小的timeout時間，下限值
• β 值一般在1.3到2.0之間。

Karn / Partridge 算法

但是上面的這個算法在重傳的時候會出有一個終極問題——你是用第一次發(fā)數(shù)據(jù)的時間和ack回來的時間做RTT樣本值，還是用重傳的時間和ACK回來的時間做RTT樣本值？

這個問題無論你選那頭都是按下葫蘆起了瓢。如下圖所示：

• 情況（a）是ack沒回來，所以重傳。如果你計算第一次發(fā)送和ACK的時間，那么，明顯算大了。
• 情況（b）是ack回來慢了，但是導(dǎo)致了重傳，但剛重傳不一會兒，之前ACK就回來了。如果你是算重傳的時間和ACK回來的時間的差，就會算短了。

所以1987年的時候，搞了一個叫Karn / Partridge Algorithm，這個算法的最大特點(diǎn)是——忽略重傳，不把重傳的RTT做采樣（你看，你不需要去解決不存在的問題）。

但是，這樣一來，又會引發(fā)一個大BUG——如果在某一時間，網(wǎng)絡(luò)閃動，突然變慢了，產(chǎn)生了比較大的延時，這個延時導(dǎo)致要重轉(zhuǎn)所有的包（因?yàn)橹暗腞TO很?。?，于是，因?yàn)橹剞D(zhuǎn)的不算，所以，RTO就不會被更新，這是一個災(zāi)難。于是Karn算法用了一個取巧的方式——只要一發(fā)生重傳，就對現(xiàn)有的RTO值翻倍（這就是所謂的 Exponential backoff），很明顯，這種死規(guī)矩對于一個需要估計比較準(zhǔn)確的RTT也不靠譜。

Jacobson / Karels 算法

前面兩種算法用的都是“加權(quán)移動平均”，這種方法最大的毛病就是如果RTT有一個大的波動的話，很難被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)楸黄交袅恕Ｋ裕?988年，又有人推出來了一個新的算法，這個算法叫Jacobson / Karels Algorithm（參看RFC6289）。這個算法引入了最新的RTT的采樣和平滑過的SRTT的差距做因子來計算。公式如下：（其中的DevRTT是Deviation RTT的意思）

SRTT = SRTT + α (RTT – SRTT) —— 計算平滑RTT

DevRTT = (1-β) DevRTT + β (|RTT-SRTT|) ——計算平滑RTT和真實(shí)的差距（加權(quán)移動平均）

RTO= μ * SRTT + ? *DevRTT —— 神一樣的公式

（其中：在Linux下，α = 0.125，β = 0.25， μ = 1，? = 4 ——這就是算法中的“調(diào)得一手好參數(shù)”，nobody knows why, it just works…） 最后的這個算法在被用在今天的TCP協(xié)議中。

四、TCP滑動窗口

需要說明一下，如果你不了解TCP的滑動窗口這個事，你等于不了解TCP協(xié)議。我們都知道，TCP必需要解決的可靠傳輸以及包亂序（reordering）的問題，所以，TCP必需要知道網(wǎng)絡(luò)實(shí)際的數(shù)據(jù)處理帶寬或是數(shù)據(jù)處理速度，這樣才不會引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，導(dǎo)致丟包。

所以，TCP引入了一些技術(shù)和設(shè)計來做網(wǎng)絡(luò)流控，Sliding Window是其中一個技術(shù)。前面我們說過，TCP頭里有一個字段叫Window，又叫Advertised-Window，這個字段是接收端告訴發(fā)送端自己還有多少緩沖區(qū)可以接收數(shù)據(jù)。于是發(fā)送端就可以根據(jù)這個接收端的處理能力來發(fā)送數(shù)據(jù)，而不會導(dǎo)致接收端處理不過來。為了說明滑動窗口，我們需要先看一下TCP緩沖區(qū)的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

上圖中，我們可以看到：

• 接收端LastByteRead指向了TCP緩沖區(qū)中讀到的位置，NextByteExpected指向的地方是收到的連續(xù)包的最后一個位置，LastByteRcved指向的是收到的包的最后一個位置，我們可以看到中間有些數(shù)據(jù)還沒有到達(dá)，所以有數(shù)據(jù)空白區(qū)。
• 發(fā)送端的LastByteAcked指向了被接收端Ack過的位置（表示成功發(fā)送確認(rèn)），LastByteSent表示發(fā)出去了，但還沒有收到成功確認(rèn)的Ack，LastByteWritten指向的是上層應(yīng)用正在寫的地方。

于是：

• 接收端在給發(fā)送端回ACK中會匯報自己的AdvertisedWindow = MaxRcvBuffer – LastByteRcvd – 1;
• 而發(fā)送方會根據(jù)這個窗口來控制發(fā)送數(shù)據(jù)的大小，以保證接收方可以處理。

下面我們來看一下發(fā)送方的滑動窗口示意圖：

上圖中分成了四個部分，分別是：（其中那個黑模型就是滑動窗口）

• #1已收到ack確認(rèn)的數(shù)據(jù)。
• #2發(fā)還沒收到ack的。
• #3在窗口中還沒有發(fā)出的（接收方還有空間）。
• #4窗口以外的數(shù)據(jù)（接收方?jīng)]空間）

下面是個滑動后的示意圖（收到36的ack，并發(fā)出了46-51的字節(jié)）：

下面我們來看一個接受端控制發(fā)送端的圖示：

Zero Window

上圖，我們可以看到一個處理緩慢的Server（接收端）是怎么把Client（發(fā)送端）的TCP Sliding Window給降成0的。此時，你一定會問，如果Window變成0了，TCP會怎么樣？是不是發(fā)送端就不發(fā)數(shù)據(jù)了？是的，發(fā)送端就不發(fā)數(shù)據(jù)了，你可以想像成“Window Closed”，那你一定還會問，如果發(fā)送端不發(fā)數(shù)據(jù)了，接收方一會兒Window size 可用了，怎么通知發(fā)送端呢？

解決這個問題，TCP使用了Zero Window Probe技術(shù)，縮寫為ZWP，也就是說，發(fā)送端在窗口變成0后，會發(fā)ZWP的包給接收方，讓接收方來ack他的Window尺寸，一般這個值會設(shè)置成3次，第次大約30-60秒（不同的實(shí)現(xiàn)可能會不一樣）。如果3次過后還是0的話，有的TCP實(shí)現(xiàn)就會發(fā)RST把鏈接斷了。

注意：只要有等待的地方都可能出現(xiàn)DDoS攻擊，Zero Window也不例外，一些攻擊者會在和HTTP建好鏈發(fā)完GET請求后，就把Window設(shè)置為0，然后服務(wù)端就只能等待進(jìn)行ZWP，于是攻擊者會并發(fā)大量的這樣的請求，把服務(wù)器端的資源耗盡。

另外，Wireshark中，你可以使用tcp.analysis.zero_window來過濾包，然后使用右鍵菜單里的follow TCP stream，你可以看到ZeroWindowProbe及ZeroWindowProbeAck的包。

Silly Window Syndrome

Silly Window Syndrome翻譯成中文就是“糊涂窗口綜合癥”。正如你上面看到的一樣，如果我們的接收方太忙了，來不及取走Receive Windows里的數(shù)據(jù)，那么，就會導(dǎo)致發(fā)送方越來越小。到最后，如果接收方騰出幾個字節(jié)并告訴發(fā)送方現(xiàn)在有幾個字節(jié)的window，而我們的發(fā)送方會義無反顧地發(fā)送這幾個字節(jié)。

要知道，我們的TCP+IP頭有40個字節(jié)，為了幾個字節(jié)，要達(dá)上這么大的開銷，這太不經(jīng)濟(jì)了。

另外，你需要知道網(wǎng)絡(luò)上有個MTU，對于以太網(wǎng)來說，MTU是1500字節(jié)，除去TCP+IP頭的40個字節(jié)，真正的數(shù)據(jù)傳輸可以有1460，這就是所謂的MSS（Max Segment Size）注意，TCP的RFC定義這個MSS的默認(rèn)值是536，這是因?yàn)?RFC 791里說了任何一個IP設(shè)備都得最少接收576尺寸的大?。▽?shí)際上來說576是撥號的網(wǎng)絡(luò)的MTU，而576減去IP頭的20個字節(jié)就是536）。

如果你的網(wǎng)絡(luò)包可以塞滿MTU，那么你可以用滿整個帶寬，如果不能，那么你就會浪費(fèi)帶寬。（大于MTU的包有兩種結(jié)局，一種是直接被丟了，另一種是會被重新分塊打包發(fā)送） 你可以想像成一個MTU就相當(dāng)于一個飛機(jī)的最多可以裝的人，如果這飛機(jī)里滿載的話，帶寬最高，如果一個飛機(jī)只運(yùn)一個人的話，無疑成本增加了，也而相當(dāng)二。

所以，Silly Windows Syndrome這個現(xiàn)像就像是你本來可以坐200人的飛機(jī)里只做了一兩個人。要解決這個問題也不難，就是避免對小的window size做出響應(yīng)，直到有足夠大的window size再響應(yīng)，這個思路可以同時實(shí)現(xiàn)在sender和receiver兩端。

• 如果這個問題是由Receiver端引起的，那么就會使用 David D Clark’s 方案。在receiver端，如果收到的數(shù)據(jù)導(dǎo)致window size小于某個值，可以直接ack(0)回sender，這樣就把window給關(guān)閉了，也阻止了sender再發(fā)數(shù)據(jù)過來，等到receiver端處理了一些數(shù)據(jù)后windows size 大于等于了MSS，或者，receiver buffer有一半為空，就可以把window打開讓send 發(fā)送數(shù)據(jù)過來。
• 如果這個問題是由Sender端引起的，那么就會使用著名的 Nagle’s algorithm。這個算法的思路也是延時處理，他有兩個主要的條件：1）要等到 Window Size>=MSS 或是 Data Size >=MSS，2）收到之前發(fā)送數(shù)據(jù)的ack回包，他才會發(fā)數(shù)據(jù)，否則就是在攢數(shù)據(jù)。

另外，Nagle算法默認(rèn)是打開的，所以，對于一些需要小包場景的程序——比如像telnet或ssh這樣的交互性比較強(qiáng)的程序，你需要關(guān)閉這個算法。你可以在Socket設(shè)置TCP_NODELAY選項(xiàng)來關(guān)閉這個算法（關(guān)閉Nagle算法沒有全局參數(shù)，需要根據(jù)每個應(yīng)用自己的特點(diǎn)來關(guān)閉）

setsockopt(sock_fd, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (char *)&value,sizeof(int));

另外，網(wǎng)上有些文章說TCP_CORK的socket option是也關(guān)閉Nagle算法，這不對。TCP_CORK其實(shí)是更新激進(jìn)的Nagle算漢，完全禁止小包發(fā)送，而Nagle算法沒有禁止小包發(fā)送，只是禁止了大量的小包發(fā)送。最好不要兩個選項(xiàng)都設(shè)置。

五、擁塞處理 Congestion Handling

上面我們知道了，TCP通過Sliding Window來做流控（Flow Control），但是TCP覺得這還不夠，因?yàn)镾liding Window需要依賴于連接的發(fā)送端和接收端，其并不知道網(wǎng)絡(luò)中間發(fā)生了什么。TCP的設(shè)計者覺得，一個偉大而牛逼的協(xié)議僅僅做到流控并不夠，因?yàn)榱骺刂皇蔷W(wǎng)絡(luò)模型4層以上的事，TCP的還應(yīng)該更聰明地知道整個網(wǎng)絡(luò)上的事。

具體一點(diǎn)，我們知道TCP通過一個timer采樣了RTT并計算RTO，但是，如果網(wǎng)絡(luò)上的延時突然增加，那么，TCP對這個事做出的應(yīng)對只有重傳數(shù)據(jù)，但是，重傳會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)更重，于是會導(dǎo)致更大的延遲以及更多的丟包，于是，這個情況就會進(jìn)入惡性循環(huán)被不斷地放大。試想一下，如果一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有成千上萬的TCP連接都這么行事，那么馬上就會形成“網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴”，TCP這個協(xié)議就會拖垮整個網(wǎng)絡(luò)。這是一個災(zāi)難。

所以，TCP不能忽略網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生的事情，而無腦地一個勁地重發(fā)數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)造成更大的傷害。對此TCP的設(shè)計理念是：TCP不是一個自私的協(xié)議，當(dāng)擁塞發(fā)生的時候，要做自我犧牲。就像交通阻塞一樣，每個車都應(yīng)該把路讓出來，而不要再去搶路了。

擁塞控制主要是四個算法：1）慢啟動，2）擁塞避免，3）擁塞發(fā)生，4）快速恢復(fù)。這四個算法不是一天都搞出來的，這個四算法的發(fā)展經(jīng)歷了很多時間，到今天都還在優(yōu)化中。備注:

• 1988年，TCP-Tahoe 提出了1）慢啟動，2）擁塞避免，3）擁塞發(fā)生時的快速重傳
• 1990年，TCP Reno 在Tahoe的基礎(chǔ)上增加了4）快速恢復(fù)

慢熱啟動算法 – Slow Start

首先，我們來看一下TCP的慢熱啟動。慢啟動的意思是，剛剛加入網(wǎng)絡(luò)的連接，一點(diǎn)一點(diǎn)地提速，不要一上來就像那些特權(quán)車一樣霸道地把路占滿。新同學(xué)上高速還是要慢一點(diǎn)，不要把已經(jīng)在高速上的秩序給搞亂了。

慢啟動的算法如下(cwnd全稱Congestion Window)：

1）連接建好的開始先初始化cwnd = 1，表明可以傳一個MSS大小的數(shù)據(jù)。

2）每當(dāng)收到一個ACK，cwnd++; 呈線性上升

3）每當(dāng)過了一個RTT，cwnd = cwnd*2; 呈指數(shù)讓升

4）還有一個ssthresh（slow start threshold），是一個上限，當(dāng)cwnd >= ssthresh時，就會進(jìn)入“擁塞避免算法”（后面會說這個算法）

所以，我們可以看到，如果網(wǎng)速很快的話，ACK也會返回得快，RTT也會短，那么，這個慢啟動就一點(diǎn)也不慢。下圖說明了這個過程。

這里，我需要提一下，Linux 3.0后采用了這篇論文的建議——把cwnd 初始化成了 10個MSS。而Linux 3.0以前，比如2.6，Linux采用了RFC3390，cwnd是跟MSS的值來變的，如果MSS< 1095，則cwnd = 4；如果MSS>2190，則cwnd=2；其它情況下，則是3。

擁塞避免算法 – Congestion Avoidance

前面說過，還有一個ssthresh（slow start threshold），是一個上限，當(dāng)cwnd >= ssthresh時，就會進(jìn)入“擁塞避免算法”。一般來說ssthresh的值是65535，單位是字節(jié)，當(dāng)cwnd達(dá)到這個值時后，算法如下：

1）收到一個ACK時，cwnd = cwnd + 1/cwnd

2）當(dāng)每過一個RTT時，cwnd = cwnd + 1

這樣就可以避免增長過快導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，慢慢的增加調(diào)整到網(wǎng)絡(luò)的最佳值。很明顯，是一個線性上升的算法。

擁塞狀態(tài)時的算法

前面我們說過，當(dāng)丟包的時候，會有兩種情況：

1）等到RTO超時，重傳數(shù)據(jù)包。TCP認(rèn)為這種情況太糟糕，反應(yīng)也很強(qiáng)烈。

• sshthresh = cwnd /2
• cwnd 重置為 1
• 進(jìn)入慢啟動過程

2）Fast Retransmit算法，也就是在收到3個duplicate ACK時就開啟重傳，而不用等到RTO超時。

TCP Tahoe的實(shí)現(xiàn)和RTO超時一樣。

TCP Reno的實(shí)現(xiàn)是：

• 進(jìn)入快速恢復(fù)算法——Fast Recovery
• sshthresh = cwnd
• cwnd = cwnd /2

上面我們可以看到RTO超時后，sshthresh會變成cwnd的一半，這意味著，如果cwnd<=sshthresh時出現(xiàn)的丟包，那么TCP的sshthresh就會減了一半，然后等cwnd又很快地以指數(shù)級增漲爬到這個地方時，就會成慢慢的線性增漲。我們可以看到，TCP是怎么通過這種強(qiáng)烈地震蕩快速而小心得找到網(wǎng)站流量的平衡點(diǎn)的。

快速恢復(fù)算法 – Fast Recovery

TCP Reno

這個算法定義在RFC5681?？焖僦貍骱涂焖倩謴?fù)算法一般同時使用?？焖倩謴?fù)算法是認(rèn)為，你還有3個Duplicated Acks說明網(wǎng)絡(luò)也不那么糟糕，所以沒有必要像RTO超時那么強(qiáng)烈。注意，正如前面所說，進(jìn)入Fast Recovery之前，cwnd 和 sshthresh已被更新：

• cwnd = cwnd /2
• sshthresh = cwnd

然后，真正的Fast Recovery算法如下：

• cwnd = sshthresh + 3 * MSS （3的意思是確認(rèn)有3個數(shù)據(jù)包被收到了）
• 重傳Duplicated ACKs指定的數(shù)據(jù)包
• 如果再收到 duplicated Acks，那么cwnd = cwnd +1
• 如果收到了新的Ack，那么，cwnd = sshthresh ，然后就進(jìn)入了擁塞避免的算法了。

如果你仔細(xì)思考一下上面的這個算法，你就會知道，上面這個算法也有問題，那就是——它依賴于3個重復(fù)的Acks。注意，3個重復(fù)的Acks并不代表只丟了一個數(shù)據(jù)包，很有可能是丟了好多包。但這個算法只會重傳一個，而剩下的那些包只能等到RTO超時，于是，進(jìn)入了惡夢模式——超時一個窗口就減半一下，多個超時會超成TCP的傳輸速度呈級數(shù)下降，而且也不會觸發(fā)Fast Recovery算法了。

通常來說，正如我們前面所說的，SACK或D-SACK的方法可以讓Fast Recovery或Sender在做決定時更聰明一些，但是并不是所有的TCP的實(shí)現(xiàn)都支持SACK（SACK需要兩端都支持），所以，需要一個沒有SACK的解決方案。而通過SACK進(jìn)行擁塞控制的算法是FACK（后面會講）

TCP New Reno

于是，1995年，TCP New Reno（參見 RFC 6582 ）算法提出來，主要就是在沒有SACK的支持下改進(jìn)Fast Recovery算法的——

• 當(dāng)sender這邊收到了3個Duplicated Acks，進(jìn)入Fast Retransimit模式，開發(fā)重傳重復(fù)Acks指示的那個包。如果只有這一個包丟了，那么，重傳這個包后回來的Ack會把整個已經(jīng)被sender傳輸出去的數(shù)據(jù)ack回來。如果沒有的話，說明有多個包丟了。我們叫這個ACK為Partial ACK。
• 一旦Sender這邊發(fā)現(xiàn)了Partial ACK出現(xiàn)，那么，sender就可以推理出來有多個包被丟了，于是乎繼續(xù)重傳sliding window里未被ack的第一個包。直到再也收不到了Partial Ack，才真正結(jié)束Fast Recovery這個過程

我們可以看到，這個“Fast Recovery的變更”是一個非常激進(jìn)的玩法，他同時延長了Fast Retransmit和Fast Recovery的過程。

算法示意圖

下面我們來看一個簡單的圖示以同時看一下上面的各種算法的樣子：

FACK算法

FACK全稱Forward Acknowledgment 算法，論文地址在這里（PDF）Forward Acknowledgement: Refining TCP Congestion Control 這個算法是其于SACK的，前面我們說過SACK是使用了TCP擴(kuò)展字段Ack了有哪些數(shù)據(jù)收到，哪些數(shù)據(jù)沒有收到，他比Fast Retransmit的3 個duplicated acks好處在于，前者只知道有包丟了，不知道是一個還是多個，而SACK可以準(zhǔn)確的知道有哪些包丟了。所以，SACK可以讓發(fā)送端這邊在重傳過程中，把那些丟掉的包重傳，而不是一個一個的傳，但這樣的一來，如果重傳的包數(shù)據(jù)比較多的話，又會導(dǎo)致本來就很忙的網(wǎng)絡(luò)就更忙了。所以，F(xiàn)ACK用來做重傳過程中的擁塞流控。

• 這個算法會把SACK中最大的Sequence Number 保存在snd.fack這個變量中，snd.fack的更新由ack帶秋，如果網(wǎng)絡(luò)一切安好則和snd.una一樣（snd.una就是還沒有收到ack的地方，也就是前面sliding window里的category #2的第一個地方）
• 然后定義一個awnd = snd.nxt – snd.fack（snd.nxt指向發(fā)送端sliding window中正在要被發(fā)送的地方——前面sliding windows圖示的category#3第一個位置），這樣awnd的意思就是在網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)。（所謂awnd意為：actual quantity of data outstanding in the network）
• 如果需要重傳數(shù)據(jù)，那么，awnd = snd.nxt – snd.fack + retran_data，也就是說，awnd是傳出去的數(shù)據(jù) + 重傳的數(shù)據(jù)。
• 然后觸發(fā)Fast Recovery 的條件是：( ( snd.fack – snd.una ) > (3*MSS) ) || (dupacks == 3) ) 。這樣一來，就不需要等到3個duplicated acks才重傳，而是只要sack中的最大的一個數(shù)據(jù)和ack的數(shù)據(jù)比較長了（3個MSS），那就觸發(fā)重傳。在整個重傳過程中cwnd不變。直到當(dāng)?shù)谝淮蝸G包的snd.nxt<=snd.una（也就是重傳的數(shù)據(jù)都被確認(rèn)了），然后進(jìn)來擁塞避免機(jī)制——cwnd線性上漲。

我們可以看到如果沒有FACK在，那么在丟包比較多的情況下，原來保守的算法會低估了需要使用的window的大小，而需要幾個RTT的時間才會完成恢復(fù)，而FACK會比較激進(jìn)地來干這事。但是，F(xiàn)ACK如果在一個網(wǎng)絡(luò)包會被 reordering的網(wǎng)絡(luò)里會有很大的問題。

其它擁塞控制算法簡介

TCP Vegas 擁塞控制算法

這個算法1994年被提出，它主要對TCP Reno 做了些修改。這個算法通過對RTT的非常重的監(jiān)控來計算一個基準(zhǔn)RTT。然后通過這個基準(zhǔn)RTT來估計當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)實(shí)際帶寬，如果實(shí)際帶寬比我們的期望的帶寬要小或是要多的活，那么就開始線性地減少或增加cwnd的大小。如果這個計算出來的RTT大于了Timeout后，那么，不等ack超時就直接重傳。（Vegas 的核心思想是用RTT的值來影響擁塞窗口，而不是通過丟包） 這個算法的論文是《TCP Vegas: End to End Congestion Avoidance on a Global Internet》這篇論文給了Vegas和 New Reno的對比：

關(guān)于這個算法實(shí)現(xiàn)，你可以參看Linux源碼：/net/ipv4/tcp_vegas.h「鏈接」， /net/ipv4/tcp_vegas.c「鏈接」

HSTCP(High Speed TCP) 算法

這個算法來自RFC 3649（Wikipedia詞條）。其對最基礎(chǔ)的算法進(jìn)行了更改，他使得Congestion Window漲得快，減得慢。其中：

• 擁塞避免時的窗口增長方式：cwnd = cwnd + α(cwnd) / cwnd
• 丟包后窗口下降方式：cwnd = (1- β(cwnd))*cwnd

注：α(cwnd)和β(cwnd)都是函數(shù)，如果你要讓他們和標(biāo)準(zhǔn)的TCP一樣，那么讓α(cwnd)=1，β(cwnd)=0.5就可以了。對于α(cwnd)和β(cwnd)的值是個動態(tài)的變換的東西。關(guān)于這個算法的實(shí)現(xiàn)，你可以參看Linux源碼：/net/ipv4/tcp_highspeed.c「鏈接」

TCP BIC 算法

2004年，產(chǎn)內(nèi)出BIC算法?，F(xiàn)在你還可以查得到相關(guān)的新聞《Google：美科學(xué)家研發(fā)BIC-TCP協(xié)議 速度是DSL六千倍》 BIC全稱Binary Increase Congestion control，在Linux 2.6.8中是默認(rèn)擁塞控制算法。BIC的發(fā)明者發(fā)這么多的擁塞控制算法都在努力找一個合適的cwnd – Congestion Window，而且BIC-TCP的提出者們看穿了事情的本質(zhì)，其實(shí)這就是一個搜索的過程，所以BIC這個算法主要用的是Binary Search——二分查找來干這個事。關(guān)于這個算法實(shí)現(xiàn)，你可以參看Linux源碼：/net/ipv4/tcp_bic.c「鏈接」

TCP WestWood算法

westwood采用和Reno相同的慢啟動算法、擁塞避免算法。westwood的主要改進(jìn)方面：在發(fā)送端做帶寬估計，當(dāng)探測到丟包時，根據(jù)帶寬值來設(shè)置擁塞窗口、慢啟動閾值。那么，這個算法是怎么測量帶寬的？每個RTT時間，會測量一次帶寬，測量帶寬的公式很簡單，就是這段RTT內(nèi)成功被ack了多少字節(jié)。因?yàn)?，這個帶寬和用RTT計算RTO一樣，也是需要從每個樣本來平滑到一個值的——也是用一個加權(quán)移平均的公式。另外，我們知道，如果一個網(wǎng)絡(luò)的帶寬是每秒可以發(fā)送X個字節(jié)，而RTT是一個數(shù)據(jù)發(fā)出去后確認(rèn)需要的時候，所以，X * RTT應(yīng)該是我們緩沖區(qū)大小。所以，在這個算法中，ssthresh的值就是est_BD * min-RTT(最小的RTT值)，如果丟包是Duplicated ACKs引起的，那么如果cwnd > ssthresh，則 cwin = ssthresh。如果是RTO引起的，cwnd = 1，進(jìn)入慢啟動。