【Linux】41.网络基础（2.3）

文章目录

• • [2.3 TCP协议](#2.3 TCP协议)
  • • [2.3.5 理解TIME_WAIT状态](#2.3.5 理解TIME_WAIT状态)
    • [2.3.6 解决TIME_WAIT状态引起的bind失败的方法(作业)](#2.3.6 解决TIME_WAIT状态引起的bind失败的方法(作业))
    • [2.3.7 理解 CLOSE_WAIT 状态](#2.3.7 理解 CLOSE_WAIT 状态)
    • [2.3.8 滑动窗口](#2.3.8 滑动窗口)
    • [2.3.9 流量控制](#2.3.9 流量控制)

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2.3 TCP协议

2.3.5 理解TIME_WAIT状态

现在做一个测试,首先启动server,然后启动client,然后用Ctrl-C使server终止,这时马上再运行server, 结果是：

这是因为,虽然server的应用程序终止了,但TCP协议层的连接并没有完全断开,因此不能再次监 听同样的server端口。我们用netstat命令查看一下：

• TCP协议规定,主动关闭连接的一方要处于TIME_ WAIT状态,等待两个MSL(maximum segment lifetime)的时间后才能回到CLOSED状态.
• 我们使用Ctrl-C终止了server, 所以server是主动关闭连接的一方, 在TIME_WAIT期间仍然不能再次监听同样的server端口;
• MSL在RFC1122中规定为两分钟,但是各操作系统的实现不同, 在Centos7上默认配置的值是60s;
• 可以通过 cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 查看msl的值;
• 规定TIME_WAIT的时间请读者参考UNP 2.7节;

想一想, 为什么是TIME_WAIT的时间是2MSL?

MSL是TCP报文的最大生存时间, 因此TIME_WAIT持续存在2MSL的话就能保证在两个传输方向上的尚未被接收或迟到的报文段都已经消失(否则服务器立刻重启, 可能会收到来自上一个进程的迟到的数据, 但是这种数据很可能是错误的);

同时也是在理论上保证最后一个报文可靠到达(假设最后一个ACK丢失, 那么服务器会再重发一个FIN. 这时虽然客户端的进程不在了, 但是TCP连接还在, 仍然可以重发LAST_ACK);

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2.3.6 解决TIME_WAIT状态引起的bind失败的方法(作业)

• 在server的TCP连接没有完全断开之前不允许重新监听, 某些情况下可能是不合理的
• 服务器需要处理非常大量的客户端的连接(每个连接的生存时间可能很短, 但是每秒都有很大数量的客户端来请求).
• 这个时候如果由服务器端主动关闭连接(比如某些客户端不活跃, 就需要被服务器端主动清理掉), 就会产生大量TIME_WAIT连接.
• 由于我们的请求量很大, 就可能导致TIME_WAIT的连接数很多, 每个连接都会占用一个通信五元组(源ip, , 协议). 其中服务器的ip和端口和协议是固定的源端口 . 如果新来的客户端连接的 , 目的ip, 目的端口 ip和端口号和TIME_WAIT占用的链接重复了, 就会出现问题.

使用setsockopt()设置socket描述符的 选项SO_REUSEADDR为1, 表示允许创建端口号相同但IP地址不同的多个socket描述符

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2.3.7 理解 CLOSE_WAIT 状态

以之前写过的 TCP 服务器为例, 我们稍加修改

将 new_sock.Close(); 这个代码去掉.

#pragma once
#include <functional>
#include "tcp_socket.hpp"

typedef std::function<void (const std::string& req, std::string* resp)> Handler;

class TcpServer {
    public:
    TcpServer(const std::string& ip, uint16_t port) : ip_(ip), port_(port) {
    }

    bool Start(Handler handler) {
        // 1. 创建 socket;
        CHECK_RET(listen_sock_.Socket());
        // 2. 绑定端口号
        CHECK_RET(listen_sock_.Bind(ip_, port_));
        // 3. 进行监听
        CHECK_RET(listen_sock_.Listen(5));
        // 4. 进入事件循环
        for (;;) {
            // 5. 进行 accept
            TcpSocket new_sock;
            std::string ip;
            uint16_t port = 0;
            if (!listen_sock_.Accept(&new_sock, &ip, &port)) {
                continue;
            }
            printf("[client %s:%d] connect!\n", ip.c_str(), port);
            // 6. 进行循环读写
            for (;;) {
                std::string req;
                // 7. 读取请求. 读取失败则结束循环
                bool ret = new_sock.Recv(&req);
                if (!ret) {
                    printf("[client %s:%d] disconnect!\n", ip.c_str(), port);
                    // [注意!] 将此处的关闭 socket 去掉
                    // new_sock.Close();
                    break;
                }
                // 8. 计算响应
                std::string resp;
                handler(req, &resp);
                // 9. 写回响应
                new_sock.Send(resp);
                printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n", ip.c_str(), port,
                       req.c_str(), resp.c_str());
            }
        }
        return true;
    }
    private:
    TcpSocket listen_sock_;
    std::string ip_;
    uint64_t port_;
};

我们编译运行服务器. 启动客户端链接, 查看 TCP 状态, 客户端服务器都为 ESTABLELISHED 状态, 没有问题。

然后我们关闭客户端程序, 观察 TCP 状态

tcp 0 0 0.0.0.0:9090 0.0.0.0:* LISTEN 
5038/./dict_server 
tcp 0 0 127.0.0.1:49958 127.0.0.1:9090 FIN_WAIT2 - 
 
tcp 0 0 127.0.0.1:9090 127.0.0.1:49958 CLOSE_WAIT 
5038/./dict_server

此时服务器进入了 CLOSE_WAIT 状态, 结合我们四次挥手的流程图, 可以认为四次挥手没有正确完成。

小结: 对于服务器上出现大量的 CLOSE_WAIT 状态, 原因就是服务器没有正确的关闭 socket, 导致四次挥手没有正确完成. 这是一个 BUG. 只需要加上对应的 close 即可解决问题。

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2.3.8 滑动窗口

刚才我们讨论了确认应答策略, 对每一个发送的数据段, 都要给一个ACK确认应答. 收到ACK后再发送下一个数据段。

这样做有一个比较大的缺点, 就是性能较差。尤其是数据往返的时间较长的时候。

既然这样一发一收的方式性能较低, 那么我们一次发送多条数据, 就可以大大的提高性能(其实是将多个段的等待时间重叠在一起了)

上图的窗口大小就是 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值 4000个字节(四个段)。

• 发送前四个段的时候, 不需要等待任何ACK, 直接发送;
• 收到第一个ACK后, 滑动窗口向后移动, 继续发送第五个段的数据; 依次类推;
• 操作系统内核为了维护这个滑动窗口, 需要开辟 发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有应答; 只有确认应答过的数据, 才能从缓冲区删掉;
• 窗口越大, 则网络的吞吐率就越高;

那么如果出现了丢包, 如何进行重传? 这里分两种情况讨论.

情况一: 数据包已经抵达, ACK被丢了。

这种情况下, 部分ACK丢了并不要紧, 因为可以通过后续的ACK进行确认;

情况二: 数据包就直接丢了.

当某一段报文段丢失之后, 发送端会一直收到 1001 这样的ACK, 就像是在提醒发送端 "我想要的是 1001" 一样;

• 如果发送端主机连续三次收到了同样一个 "1001" 这样的应答, 就会将对应的数据 1001 - 2000 重新发送;
• 这个时候接收端收到了 1001 之后, 再次返回的ACK就是7001了(因为2001 - 7000)接收端其实之前就已经收到了, 被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中;
• 这种机制被称为 "高速重发控制"(也叫 "快重传").

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2.3.9 流量控制

接收端处理数据的速度是有限的. 如果发送端发的太快, 导致接收端的缓冲区被打满, 这个时候如果发送端继续发送,就会造成丢包, 继而引起丢包重传等等一系列连锁反应.

因此TCP支持根据接收端的处理能力, 来决定发送端的发送速度. 这个机制就叫做流量控制(Flow Control);

• 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 "窗口大小" 字段, 通过ACK端通知发送端;
• 窗口大小字段越大, 说明网络的吞吐量越高;
• 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了, 就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端;
• 发送端接受到这个窗口之后, 就会减慢自己的发送速度;
• 如果接收端缓冲区满了, 就会将窗口置为0; 这时发送方不再发送数据, 但是需要定期发送一个窗口探测数据段, 使接收端把窗口大小告诉发送端.

接收端如何把窗口大小告诉发送端呢? 回忆我们的TCP首部中, 有一个16位窗口字段, 就是存放了窗口大小信息;

那么问题来了, 16位数字最大表示65535, 那么TCP窗口最大就是65535字节么?

实际上, TCP首部40字节选项中还包含了一个窗口扩大因子M, 实际窗口大小是 窗口字段的值左移 M 位;