2015软件水平测试：TCP协议的部分解析(3)

IP网络之上的TCP

　　1.端到端的TCP协议和IP协议之间的矛盾

　　端到端的TCP只能看到两个节点，那就是自己和对方，它们是看不到任何中间的路径的。可是IP网络却是一跳一跳的，它们的矛盾之处在于TCP的端到端流量控制必然会导致网络拥堵。因为每条TCP连接的一端只知道它对端还有多少空间用于接收数据，它们并不管到达对端的路径上是否还有这么大的容量，事实上所有连接的这些空间加在一起将瞬间超过IP网络的容量，因此TCP也不可能按照滑动窗口流量控制机制很理想的运行。

　　势必需要一种拥塞控制机制，反应路径的拥塞情况。

　　疑难杂症15：拥塞控制的本质

　　由于TCP是端到端协议，因此两端之间的控制范畴属于流量控制，IP网络的拥塞会导致TCP分段的丢失，由于TCP看不到中间的路由器，因此这种丢失只会发生中间路由器，当然两个端点的网卡或者IP层丢掉数据分段也是TCP看不到的。因此拥塞控制必然作用于IP链路。事实上我们可以得知，只有在以下情况下拥塞控制才会起作用：

　　a.两个或两个以上的连接(其中一个一定要是TCP，另一个可以是任意连接)经过同一个路由器或者同一个链路时;

　　b.只有一个TCP连接，然而它经过了一个路由器时。

　　其它情况下是不会拥塞的。因为一个TCP总是希望独享整条网络通路，而这对于多个连接而言是不可能的，必须保证TCP的公平性，这样这种拥塞控制机制才合理。本质上，拥塞的原因就是大家都想独享全部带宽资源，结果导致拥塞，这也是合理的，毕竟TCP看不到网络的状态，同时这也决定了TCP的拥塞控制必须采用试探性的方式，最终到达一个足以引起其“反应”的“刺激点”。

　　拥塞控制需要完成以下两个任务：1.公平性;2.拥塞之后退出拥塞状态。

　　疑难杂症16：影响拥塞的因素

　　我们必须认识到拥塞控制是一个整体的机制，它不偏向于任何TCP连接，因此这个机制内在的就包含了公平性。那么影响拥塞的因素都有什么呢?具有讽刺意味的是，起初TCP并没有拥塞控制机制，正是TCP的超时重传风暴(一个分段丢失造成后续的已经发送的分段均被重传，而这些重传大多数是不必要的)加重了网络的拥塞。因此重传必然不能过频，必须把重传定时器的超时时间设置的稍微长一些，而这一点在单一重传定时器的设计中得到了加强。除此TCP自身的因素之外，其它所有的拥塞都可以靠拥塞控制机制来自动完成。

　　另外，不要把路由器想成一种线速转发设备，再好的路由器只要接入网络，总是会拉低网络的总带宽，因此即使只有一个TCP连接，由于TCP的发送方总是以发送链路的带宽发送分段，这些分段在经过路由器的时候排队和处理总是会有时延，因此最终肯定会丢包的。

　　最后，丢包的延后性也会加重拥塞。假设一个TCP连接经过了N个路由器，前N-1个路由器都能顺利转发TCP分段，但是最后一个路由器丢失了一个分段，这就导致了这些丢失的分段浪费了前面路由器的大量带宽。

　　2.拥塞控制的策略

　　在介绍拥塞控制之前，首先介绍一下拥塞窗口，它实际上表示的也是“可以发送多少数据”，然而这个和接收端通告的接收窗口意义是不一样的，后者是流量控制用的窗口，而前者是拥塞控制用的窗口，体现了网络拥塞程度。

　　拥塞控制整体上分为两类，一类是试探性的拥塞探测，另一类则是拥塞避免(注意，不是常规意义上的拥塞避免)。

　　2.1.试探性的拥塞探测分为两类，之一是慢启动，之二是拥塞窗口加性扩大(也就是熟知的拥塞避免，然而这种方式是避免不了拥塞的)。

　　2.2.拥塞避免方式拥塞控制旨在还没有发生拥塞的时候就先提醒发送端，网络拥塞了，这样发送端就要么可以进入快速重传/快速恢复或者显式的减小拥塞窗口，这样就避免网络拥塞的一沓糊涂之后出现超时，从而进入慢启动阶段。

　　2.3.快速重传和快速恢复。所谓快速重传/快速恢复是针对慢启动的，我们知道慢启动要从1个MSS开始增加拥塞窗口，而快速重传/快速恢复则是一旦收到3个冗余ACK，不必进入慢启动，而是将拥塞窗口缩小为当前阀值的一半加上3，然后如果继续收到冗余ACK，则将拥塞窗口加1个MSS，直到收到一个新的数据ACK，将窗口设置成正常的阀值，开始加性增加的阶段。

　　当进入快速重传时，为何要将拥塞窗口缩小为当前阀值的一半加上3呢?加上3是基于数据包守恒来说的，既然已经收到了3个冗余ACK，说明有三个数据分段已经到达了接收端，既然三个分段已经离开了网络，那么就是说可以在发送3个分段了，只要再收到一个冗余ACK，这也说明1个分段已经离开了网络，因此就将拥塞窗口加1个MSS。直到收到新的ACK，说明直到收到第三个冗余ACK时期发送的TCP分段都已经到达对端了，此时进入正常阶段开始加性增加拥塞窗口。

　　疑难杂症17：超时重传和收到3个冗余ACK后重传

　　这两种重传的意义是不同的，超时重传一般是因为网络出现了严重拥塞(没有一个分段到达，如果有的话，肯定会有ACK的，若是正常ACK，则重置重传定时器，若是冗余ACK，则可能是个别报文丢失或者被重排序，若连续3个冗余ACK，则很有可能是个别分段丢失)，此时需要更加严厉的缩小拥塞窗口，因此此时进入慢启动阶段。而收到3个冗余ACK后说明确实有中间的分段丢失，然而后面的分段确实到达了接收端，这因为这样才会发送冗余ACK，这一般是路由器故障或者轻度拥塞或者其它不太严重的原因引起的，因此此时拥塞窗口缩小的幅度就不能太大，此时进入快速重传/快速恢复阶段。

　　疑难杂症18：为何收到3个冗余ACK后才重传

　　这是一种权衡的结构，收到两个或者一个冗余ACK也可以重传，但是这样的话可能或造成不必要的重传，因为两个数据分段发生乱序的可能性不大，超过三个分段发生乱序的可能性才大，换句话说，如果仅仅收到一个乱序的分段，那很可能被中间路由器重排了，那么另一个分段很可能马上就到，然而如果连续收到了3个分段都没能弥补那个缺漏，那很可能是它丢失了，需要重传。因此3个冗余ACK是一种权衡，在减少不必要重传和确实能检测出单个分段丢失之间所作的权衡。

　　注意，冗余ACK是不能捎带的。

　　疑难杂症19：乘性减和加性增的深层含义

　　为什么是乘性减而加性增呢?拥塞窗口的增加受惠的只是自己，而拥塞窗口减少受益的大家，可是自己却受到了伤害。哪一点更重要呢?我们知道TCP的拥塞控制中内置了公平性，恰恰就是这种乘性减实现了公平性。拥塞窗口的1个MSS的改变影响一个TCP发送者，为了使得自己拥塞窗口的减少影响更多的TCP发送者- 让更多的发送者受益，那么采取了乘性减的策略。

　　当然，BIC算法提高了加性增的效率，不再一个一个MSS的加，而是一次加比较多的MSS，采取二分查找的方式逐步找到不丢包的点，然后加性增。

　　疑难杂症20：TCP连接的传输稳定状态是什么

　　首先，先说一下发送端的发送窗口怎么确定，它取的是拥塞窗口和接收端通告窗口的最小值。然后，我们提出三种发送窗口的稳定状态：

　　a.IP互联网络上接收端拥有大窗口的经典锯齿状

　　b.IP互联网络上接收端拥有小窗口的直线状态

　　c.直连网络端点间的满载状态下的直线状态

　　其中a是大多数的状态，因为一般而言，TCP连接都是建立在互联网上的，而且是大量的，比如Web浏览，电子邮件，网络游戏，Ftp下载等等。TCP发送端用慢启动或者拥塞避免方式不断增加其拥塞窗口，直到丢包的发生，然后进入慢启动或者拥塞避免阶段(要看是由于超时丢包还是由于冗余ACK丢包)，此时发送窗口将下降到1或者下降一半，这种情况下，一般接收端的接收窗口是比较大的，毕竟IP网络并不是什么很快速的网络，一般的机器处理速度都很快。

　　但是如果接收端特别破，处理速度很慢，就会导致其通告一个很小的窗口，这样的话，即使拥塞窗口再大，发送端也还是以通告的接收窗口为发送窗口，这样就不会发生拥塞。最后，如果的TCP连接运行在一个直连的两台主机上，那么它将独享网络带宽，这样该TCP的数据流在的情况下将填满网络管道(我们把网络管道定义为带宽和延时的乘积)，其实在这种情况下是不存在拥塞的，就像你一个人独自徘徊在飘雨黄昏的街头一样...

　　2.4.主动的拥塞避免

　　前面我们描述的拥塞控制方式都是试探性的检测，然后拥塞窗口被动的进行乘性减，这样在接收端窗口很大的情况下(一般都是这样，网络拥堵，分段就不会轻易到达接收端，导致接收端的窗口大量空置)就可能出现锯齿形状的“时间-窗口”图，类似在一个拥堵的北京X环上开车，发送机发动，车开动，停止，等待，发动机发动，车开动...听声音也能听出来。

　　虽然TCP看不到下面的IP网络，然而它还是可以通过检测RTT的变化以及拥塞窗口的变化推算出IP网络的拥堵情况的。就比方说北京东四环一家快递公司要持续送快递到西四环，当发件人发现货到时间越来越慢的时候，他会意识到“下班高峰期快到了”...

　　可以通过持续观测RTT的方式来主动调整拥塞窗口的大小而不是一味的加性增。然而还有更猛的算法，那就是计算两个差值的乘积：

　　(当前拥塞窗口-上一次拥塞窗口)x(当前的RTT-上一次的RTT)

　　如果结果是正数，则拥塞窗口减少1/8，若结果是负数或者0，则窗口增加一个MSS。注意，这回不再是乘性减了，可以看出，减的幅度比乘性减幅度小，这是因为这种拥塞控制是主动的，而不是之前的那种被动的试探方式。在试探方式中，乘性减以一种惩罚的方式实现了公平性，而在这里的主动方式中，当意识到要拥塞的时候，TCP发送者主动的减少了拥塞窗口，为了对这种自首行为进行鼓励，采用了小幅减少拥塞窗口的方式。需要注意的是，在拥塞窗口减小的过程中，乘积的前一个差值是负数，如果后一个差值也是负数，那么结果就是继续缩减窗口，直到拥塞缓解或者窗口减少到了一定程度，使得后一个差值成了正数或者0，这种情况下，其实后一个差值只能变为0。

　　疑难杂症21：路由器和TCP的互动

　　虽然有了5.2.4节介绍的主动的拥塞检测，那么路由器能不能做点什么帮助检测拥塞呢?这种对路由器的扩展是必要的，要知道，每天有无数的TCP要通过路由器，虽然路由器不管TCP协议的任何事(当然排除连接跟踪之类的，这里所说的是标准的IP路由器)，但是它却能以一种很简单的方式告诉TCP的两端IP网络发生了拥堵，这种方式就是当路由器检测到自己发生轻微拥堵的时候随机的丢包，随机丢包而不是连续丢包对于TCP而言是有重大意义的，随机丢包会使TCP发现丢弃了个别的分段而后续的分段仍然会到达接收端，这样TCP发送端就会接收到3个冗余ACK，然后进入快速重传/快速恢复而不是慢启动。

　　这就是路由器能帮TCP做的事。

　　其它

　　疑难杂症22：如何学习TCP

　　很多人发帖问TCP相关的内容，接下来稀里哗啦的就是让看《TCP/IP详解》和《Unix网络编程》里面的特定章节，我觉得这种回答很不负责任。因为我并不认为这两本书有多大的帮助，写得确实很不错，然而可以看出Richard Stevens是一个实用主义者，他喜欢用实例来解释一切，《详解》通篇都是用tcpdump的输出来讲述的，这种方式只是适合于已经对TCP很理解的人，然而大多数的人是看不明白的。

　　如果想从设计的角度来说，这两本书都很烂。我觉得应该先看点入门的，比如Wiki之类的，然后看RFC文档,793，896，1122等)，这样你就明白 TCP为何这么设计了，而这些你永远都不能在Richard Stevens的书中得到。最后，如果你想，那么就看一点Richard Stevens的书，最重要的还是写点代码或者敲点命令，然后抓包自己去分析。

　　疑难杂症23：Linux，Windows和网络编程

　　我觉得在Linux上写点TCP的代码是很不错的，如果有BSD那就更好了。不推荐用Winsock学习TCP。虽然微软声称自己的API都是为了让事情更简单，但实际上事情却更复杂了，如果你用Winsock学习，你就要花大量的时候去掌握一些和网络编程无关但是windows平台上却少不了的东西

　　1.总结

　　TCP 协议是一个端到端的协议，虽然话说它是一个带流量控制，拥塞控制的协议，然而正是因为这些所谓的控制才导致了TCP变得复杂。同时这些特性是互相杂糅的，流量控制带来了很多问题，解决这些问题的方案最终又带来了新的问题，这些问题在解决的时候都只考虑了端到端的意义，但实际上TCP需要尽力而为的IP提供的网络，因此拥塞成了最终的结症，拥塞控制算法的改进也成了一个单独的领域。

　　在学习TCP的过程中，切忌一锅粥一盘棋的方式，一定要分清楚每一个算法到底是解决什么问题的，每一个问题和其他问题到底有什么关联，这些问题的解决方案之间有什么关联，另外TCP的发展历史也了解一下，这些都搞明白了，TCP协议就彻底被你掌控了。接下来你就可以学习Socket API了，然后高效的TCP程序出自你手!

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