TCP协议疑难杂症全景解析

这是TCP的基本，因为后续的传输的可靠性以及数据顺序性都依赖于一条连接，这是最简单的实现方式，因此TCP被设计成一种基于流的协议，既然TCP需要事先建立连接，之后传输多少数据就无所谓了，只要是同一连接的数据能识别出来即可。

疑难杂症1：3次握手和4次挥手

TCP使用3次握手建立一条连接，该握手初始化了传输可靠性以及数据顺序性必要的信息，这些信息包括两个方向的初始序列号，确认号由初始序列号生成，使用3次握手是因为3次握手已经准备好了传输可靠性以及数据顺序性所必要的信息，该握手的第3次实际上并不是需要单独传输的，完全可以和数据一起传输。

TCP使用4次挥手拆除一条连接，为何需要4次呢？因为TCP是一个全双工协议，必须单独拆除每一条信道。注意，4次挥手和3次握手的意义是不同的，很多人都会问为何建立连接是3次握手，而拆除连接是4次挥手。3次握手的目的很简单，就是分配资源，初始化序列号，这时还不涉及数据传输，3次就足够做到这个了，而4次挥手的目的是终止数据传输，并回收资源，此时两个端点两个方向的序列号已经没有了任何关系，必须等待两方向都没有数据传输时才能拆除虚链路，不像初始化时那么简单，发现SYN标志就初始化一个序列号并确认SYN的序列号。因此必须单独分别在一个方向上终止该方向的数据传输。

疑难杂症2：TIME_WAIT状态

为何要有这个状态，原因很简单，那就是每次建立连接的时候序列号都是随机产生的，并且这个序列号是32位的，会回绕。现在我来解释这和TIME_WAIT有什么关系。

任何的TCP分段都要在尽力而为的IP网络上传输，中间的路由器可能会随意的缓存任何的IP数据报，它并不管这个IP数据报上被承载的是什么数据，然而根据经验和互联网的大小，一个IP数据报最多存活MSL(这是根据地球表面积，电磁波在各种介质中的传输速率以及IP协议的TTL等综合推算出来的，如果在火星上，这个MSL会大得多...)。

现在我们考虑终止连接时的被动方发送了一个FIN，然后主动方回复了一个ACK，然而这个ACK可能会丢失，这会造成被动方重发FIN，这个FIN可能会在互联网上存活MSL。

如果没有TIME_WAIT的话，假设连接1已经断开，然而其被动方最后重发的那个FIN(或者FIN之前发送的任何TCP分段)还在网络上，然而连接2重用了连接1的所有的5元素(源IP，目的IP，TCP，源端口，目的端口)，刚刚将建立好连接，连接1迟到的FIN到达了，这个FIN将以比较低但是确实可能的概率终止掉连接2.

为何说是概率比较低呢？这涉及到一个匹配问题，迟到的FIN分段的序列号必须落在连接2的一方的期望序列号范围之内。虽然这种巧合很少发生，但确实会发生，毕竟初始序列号是随机产生了。因此终止连接的主动方必须在接受了被动方且回复了ACK之后等待2*MSL时间才能进入CLOSE状态，之所以乘以2是因为这是保守的算法，最坏情况下，针对被动方的ACK在以最长路线(经历一个MSL)经过互联网马上到达被动方时丢失。

为了应对这个问题，RFC793对初始序列号的生成有个建议，那就是设定一个基准，在这个基准之上搞随机，这个基准就是时间，我们知道时间是单调递增的。然而这仍然有问题，那就是回绕问题，如果发生回绕，那么新的序列号将会落到一个很低的值。因此最好的办法就是避开“重叠”，其含义就是基准之上的随机要设定一个范围。

要知道，很多人很不喜欢看到服务器上出现大量的TIME_WAIT状态的连接，因此他们将TIME_WAIT的值设置的很低，这虽然在大多数情况下可行，然而确实也是一种冒险行为。最好的方式就是，不要重用一个连接。

疑难杂症3：重用一个连接和重用一个套接字

这是根本不同的，单独重用一个套接字一般不会有任何问题，因为TCP是基于连接的。比如在服务器端出现了一个TIME_WAIT连接，那么该连接标识了一个五元素，只要客户端不使用相同的源端口，连接服务器是没有问题的，因为迟到的FIN永远不会到达这个连接。记住，一个五元素标识了一个连接，而不是一个套接字(当然，对于BSD套接字而言，服务端的accept套接字确实标识了一个连接)。

3.2.2.传输可靠性

基本上传输可靠性是靠确认号实现的，也就是说，每发送一个分段，接下来接收端必然要发送一个确认，发送端收到确认后才可以发送下一个字节。这个原则最简单不过了，教科书上的“停止-等待”协议就是这个原则的字节版本，只是TCP使用了滑动窗口机制使得每次不一定发送一个字节，但是这是后话，本节仅仅谈一下确认的超时机制。

怎么知道数据到达对端呢？那就是对端发送一个确认，但是如果一直收不到对端的确认，发送端等多久呢？如果一直等下去，那么将无法发现数据的丢失，协议将不可用，如果等待时间过短，可能确认还在路上，因此等待时间是个问题，另外如何去管理这个超时时间也是一个问题。

疑难杂症4：超时时间的计算

绝对不能随意去揣测超时的时间，而应该给出一个精确的算法去计算。毫无疑问，一个TCP分段的回复到达的时间就是一个数据报往返的时间，因此标准定义了一个新的名词RTT，代表一个TCP分段的往返时间。然而我们知道，IP网络是尽力而为的，并且路由是动态的，且路由器会毫无先兆的缓存或者丢弃任何的数据报，因此这个RTT是需要动态测量的，也就是说起码每隔一段时间就要测量一次，如果每次都一样，万事大吉，然而世界并非如你所愿，因此我们需要找到的恰恰的一个“平均值”，而不是一个准确值。

这个平均值如果仅仅直接通过计算多次测量值取算术平均，那是不恰当的，因为对于数据传输延时，我们必须考虑的路径延迟的瞬间抖动，否则如果两次测量值分别为2和98，那么超时值将是50，这个值对于2而言，太大了，结果造成了数据的延迟过大(本该重传的等待了好久才重传)，然而对于98而言，太小了，结果造成了过度重传(路途遥远，本该很慢，结果大量重传已经正确确认但是迟到的TCP分段)。

因此，除了考虑每两次测量值的偏差之外，其变化率也应该考虑在内，如果变化率过大，则通过以变化率为自变量的函数为主计算RTT(如果陡然增大，则取值为比较大的正数，如果陡然减小，则取值为比较小的负数，然后和平均值加权求和)，反之如果变化率很小，则取测量平均值。这是不言而喻的，这个算法至今仍然工作的很好。

疑难杂症5：超时计时器的管理-每连接单一计时器

（编辑：核心网）

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