概述

关于TCP的杂乱知识点，不成体系，毕竟TCP真的太复杂。

模型

TCP/IP协议模型（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），包含一系列构成互联网基础的网络协议，Internet的核心协议。
基于TCP/IP的参考模型将协议分成四个层次：链路层、网络层、传输层和应用层。

TCP/IP协议族按照层次由上到下，层层包装。最上面是应用层，有HTTP、FTP等协议。而第二层则是传输层，著名的TCP和UDP协议就在这个层次。第三层是网络层，IP协议，它负责对数据加上IP地址和其他的数据以确定传输的目标。第四层是数据链路层，这个层次为待传送的数据加入一个以太网协议头，并进行CRC编码，为最后的数据传输做准备。

TCP/IP协议通信的过程其实就对应着数据入栈与出栈的过程。入栈的过程，数据发送方每层不断地封装首部与尾部，添加一些传输的信息，确保能传输到目的地。出栈的过程，数据接收方每层不断地拆除首部与尾部，得到最终传输的数据。

长连接
连接是指网络传输层的使用TCP协议经过三次握手建立的连接；
长连接是指建立的连接长期保持，不管此时有无数据包的发送；
短连接是指双方有数据发送时，就建立连接，发送几次请求后，就主动或者被动断开连接。

心跳，用来检测系统是否存活或网络链路是否通畅的一种方式，其一般做法是定时向被检测系统发送心跳包，被检测系统收到心跳包进行回复，收到回复说明对方存活。
心跳能够给长连接提供保活功能，能够检测长连接是否正常；如果多次（一般三次）检测不到心跳则认为已断开连接，此时需要做后续的措施，如下线，重新选举等。

长连接和心跳的意义：

  • 减少连接建立过程的耗时：TCP连接建立需要三次握手，也就说需要三次交互才能建立一个连接通道，尤其在异地容灾机器部署情况下优势更明显。
  • 方便实现push数据：数据交互－推模式实现的前提是网络长连接，有了长连接，连接两端很方便的互相push数据，来进行交互。

与UDP区别

状态转换

面试必备之TCP知识_复用

可靠性

有序

三次握手

四次挥手

流量控制

TCP协议有两个比较重要的控制算法：流量控制，阻塞控制。
TCP协议通过滑动窗口来进行流量控制，它是控制发送方的发送速度从而使接受者来得及接收并处理。

拥塞控制

拥塞控制作用于整体网络，它是防止过多的包被发送到网络中，避免出现网络负载过大，网络拥塞的情况。

Congestion Control State Machine

和TCP一样，拥塞控制算法也有其状态机。当发送方收到一个ACK时，Linux TCP通过状态机的状态来决定其接下来的行为，是应该降低拥塞窗口cwnd大小，或保持cwnd不变，还是继续增加cwnd。如果处理不当，可能会导致丢包或者超时。

面试必备之TCP知识_客户端_02


五种状态：

  1. Open状态
    Open状态是拥塞控制状态机的默认状态。这种状态下，当ACK到达时，发送方根据拥塞窗口cwnd(Congestion Window)是小于还是大于慢启动阈值ssthresh(slow start threshold)，来按照慢启动或者拥塞避免算法来调整拥塞窗口。
  2. Disorder状态
    当发送方检测到DACK(重复确认)或者SACK(选择性确认)时，状态机将转变为Disorder状态。在此状态下，发送方遵循飞行(in-flight)包守恒原则，即一个新包只有在一个老包离开网络后才发送，也就是发送方收到老包的ACK后，才会再发送一个新包。
  3. CWR状态
    发送方接收到一个显示拥塞通知时，并不会立刻减少拥塞窗口cwnd，而是每收到两个ACK就减少一个段，直到窗口的大小减半为止。当cwnd正在减小并且网络中有没有重传包时，这个状态就叫CWR(Congestion Window Reduced，拥塞窗口减少)状态。CWR状态可以转变成Recovery或者Loss状态。
  4. Recovery状态
    当发送方接收到足够(推荐为三个)的DACK(重复确认)后，进入该状态。在该状态下，拥塞窗口cnwd每收到两个ACK就减少一个段(segment)，直到cwnd等于慢启动阈值ssthresh，也就是刚进入Recover状态时cwnd的一半大小。发送方保持 Recovery 状态直到所有进入 Recovery状态时正在发送的数据段都成功地被确认，然后发送方恢复成Open状态，重传超时有可能中断 Recovery 状态，进入Loss状态。
  5. Loss状态
    当一个RTO(重传超时时间)到期后，发送方进入Loss状态。所有正在发送的数据标记为丢失，拥塞窗口cwnd设置为一个段(segment)，发送方再次以慢启动算法增大拥塞窗口cwnd。
    Loss 和 Recovery 状态的区别是：Loss状态下，拥塞窗口在发送方设置为一个段后增大，而 Recovery 状态下，拥塞窗口只能被减小。Loss 状态不能被其他的状态中断，因此，发送方只有在所有 Loss 开始时正在传输的数据都得到成功确认后，才能退到 Open 状态。

四个算法：慢启动，拥塞避免，拥塞发生时算法和快速恢复。

面试必备之TCP知识_客户端_03


1.慢热启动算法 – Slow Start

所谓慢启动，也就是TCP连接刚建立，一点一点地提速，试探一下网络的承受能力，以免直接扰乱网络通道的秩序。

慢启动算法：

1. 连接建好的开始先初始化拥塞窗口cwnd大小为1，表明可以传一个MSS大小的数据

2. 每当收到一个ACK，cwnd大小加一，呈线性上升

3. 每当过一个往返延迟时间RTT(Round-Trip Time)，cwnd大小直接翻倍，乘以2，呈指数让升

4. ssthresh（slow start threshold），是一个上限，当cwnd >= ssthresh时，即进入拥塞避免算法

2.拥塞避免算法 – Congestion Avoidance
当拥塞窗口大小cwnd大于等于慢启动阈值ssthresh后，就进入拥塞避免算法：
1. 收到一个ACK，则cwnd = cwnd + 1 / cwnd
2. 每当过了一个往返延迟时间RTT，cwnd大小加一
过了慢启动阈值后，拥塞避免算法可以避免窗口增长过快导致窗口拥塞，而是缓慢的增加调整到网络的最佳值。

3.拥塞状态时的算法
一般来说，TCP拥塞控制默认认为网络丢包是由于网络拥塞导致的，所以一般的TCP拥塞控制算法以丢包为网络进入拥塞状态的信号。对于丢包有两种判定方式，一种是超时重传RTO[Retransmission Timeout]超时，另一个是收到三个重复确认ACK。
超时重传是TCP协议保证数据可靠性的一个重要机制，其原理是在发送一个数据以后就开启一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送数据报的ACK报文，那么就重新发送数据，直到发送成功为止。
但是如果发送端接收到3个以上的重复ACK，TCP就意识到数据发生丢失，需要重传。这个机制不需要等到重传定时器超时，所以叫做快速重传，而快速重传后没有使用慢启动算法，而是拥塞避免算法，所以这又叫做快速恢复算法。
超时重传RTO[Retransmission Timeout]超时，TCP会重传数据包。TCP认为这种情况比较糟糕，反应也比较强烈：

  1. 由于发生丢包，将慢启动阈值ssthresh设置为当前cwnd的一半，即ssthresh = cwnd / 2
  2. cwnd重置为1
  3. 进入慢启动过程

最为早期的TCP Tahoe算法就使用上述处理办法，但是由于一丢包就一切重来，导致cwnd重置为1，十分不利于网络数据的稳定传递。TCP Reno算法进行优化，当收到三个重复确认ACK时，TCP开启快速重传Fast Retransmit算法，而不用等到RTO超时再进行重传：

  1. cwnd大小缩小为当前的一半
  2. ssthresh设置为缩小后的cwnd大小
  3. 然后进入快速恢复算法Fast Recovery
  4. 快速恢复算法
    TCP Tahoe是早期的算法，所以没有快速恢复算法，而Reno算法有。在进入快速恢复之前，cwnd和ssthresh已经被更改为原有cwnd的一半。快速恢复算法的逻辑如下：
  • cwnd = cwnd + 3 * MSS，加3 * MSS的原因是因为收到3个重复的ACK。
  • 重传DACKs指定的数据包。
  • 如果再收到DACKs，那么cwnd大小增加一。
  • 如果收到新的ACK，表明重传的包成功，那么退出快速恢复算法。将cwnd设置为ssthresh，然后进入拥塞避免算法。

面试必备之TCP知识_负载均衡_04


第五个包发生丢失，所以导致接收方接收到三次重复ACK，也就是ACK5。所以将ssthresh设置为当时cwnd的一半，也就是6/2 = 3，cwnd设置为3 + 3 = 6。然后重传第五个包。当收到新的ACK时，也就是ACK11，则退出快速恢复阶段，将cwnd重新设置为当前的ssthresh，也就是3，然后进入拥塞避免算法阶段。

慢启动

拥塞避免

拥塞发生时算法

快速恢复

Fast Recovery，

其他

谷歌的BBR

TCP优化

TCP连接复用

TCP Connection Reuse
一般情况下，客户端在发送HTTP请求之前需要先与服务器进行TCP三次握手，建立TCP连接，然后发送HTTP请求。服务器收到HTTP请求后进行处理，并将处理的结果发送回客户端，然后客户端和服务器互相发送FIN并在收到FIN的ACK确认后关闭连接。在这种方式下，一个简单的HTTP请求需要十几个TCP数据包才能处理完成。

TCP连接复用技术通过将前端多个客户的HTTP请求复用到后端与服务器建立的一个TCP连接上。这种技术能够大大减小服务器的性能负载，减少与服务器之间新建TCP连接所带来的延时，并最大限度的降低客户端对后端服务器的并发连接数请求，减少服务器的资源占用。

采用TCP连接复用技术后，Client A与负载均衡设备之间进行三次握手并发送HTTP请求。负载均衡设备收到请求后，会检测服务器是否存在空闲的长连接，如果不存在，服务器将建立一个新连接。当HTTP请求响应完成后，客户端则与负载均衡设备协商关闭连接，而负载均衡则保持与服务器之间的这个连接。当有其它客户端（Client B）需要发送HTTP请求时，负载均衡设备会直接向与服务器之间保持的这个空闲连接发送HTTP请求，避免新建TCP连接造成的延时和服务器资源耗费。

面试必备之TCP知识_复用_05


在HTTP 1.0中，客户端的每一个HTTP请求都必须通过独立的TCP连接进行处理，而在HTTP 1.1中，对这种方式进行改进。客户端可以在一个TCP连接中发送多个HTTP请求，这种技术叫做HTTP复用（HTTP Multiplexing）。TCP连接复用是将多个客户端的HTTP请求复用到一个服务器端TCP连接上，HTTP复用则是一个客户端的多个HTTP请求通过一个TCP连接进行处理。前者是负载均衡设备的独特功能；而后者是HTTP 1.1协议所支持的新功能，目前被大多数浏览器所支持。

有些用户和厂商喜欢采用连接复用率来评判一个负载均衡设备的TCP连接复用技术的好坏。一般来说，TCP连接复用率是指一段时间内负载均衡设备成功处理的客户端HTTP请求总数与这段时间负载均衡与服务器之间建立的TCP连接总数的比值。但是，TCP连接复用率和应用的特点、服务器设置、计算周期以及请求的发送模式等也有很大的关系，不同的应用环境下计算出来的TCP连接复用率会有很大的差异。其实，连接复用效率的关键在于负载均衡设备是否能够及时释放已经空闲的服务器端连接。有些厂商采用发送HTTP响应后等待一定时间，如果这段时间内无数据传输即释放该连接。而等待时间往往是秒级的，对于数据往返时间的毫秒级，其复用效果明显不会很好。最为有效的连接复用技术是在负载均衡设备给客户端发送HTTP响应之后，收到客户端确认ACK数据包即释放该连接。这种方式避免任何额外的等待时间，理论上没有更高效的复用方法。

TCP缓冲机制

TCP缓冲是为了解决后端服务器网速与客户的前端网络速度不匹配而造成服务器资源浪费的问题。由于服务器与负载均衡设备之间的网络带宽速率高，时延小，通过将服务器端的请求缓冲在负载均衡设备的缓冲区中，防止由于客户端缓慢的网络链路和较高的时延造成服务器端连接阻塞问题。

通过采用TCP缓冲技术，可以提高服务器端响应时间和处理效率，减少由于通信链路问题给服务器造成的连接负担。另外，由负载均衡设备来处理网络阻塞造成的数据包重传，使每个客户端的流量得到最佳的控制。

面试必备之TCP知识_客户端_06


客户端与负载均衡之间采用的链路具有较高的时延和较低的带宽，而负载均衡与服务器之间采用时延较低和高带宽的局域网连接。

  1. 负载均衡收到客户端发来的HTTP请求并将其转发给后端的服务器进行处理；
  2. 服务器对请求进行处理后，将响应的内容依次返回负载均衡设备，负载均衡设备收到响应的数据包后，会将数据包依次缓存在缓冲区中，服务器的响应速度将依据负载均衡和服务器之间的链路质量；
  3. 当负载均衡上缓存第一个响应的数据包后，负载均衡将响应的数据包按次序返回给客户端，此时，响应的速度将依赖于负载均衡与客户端之间的链路质量；
  4. 当响应内容数据包依次传送给客户端并收到客户端的ACK确认请求后，负载均衡将缓冲区资源释放出来为其它TCP连接使用。

TCP缓冲技术是L7应用负载均衡的核心，它将服务器与客户端之间的TCP连接分成两个独立的TCP连接，并分别进行处理，以适应两边不同的网络环境。此外通过TCP缓冲技术，将客户端的HTTP请求完整的接收下来并进行分析，还可以提供一些高级负载均衡的应用功能，如：URL-Hashing，URL交换（URL-Switching），基于Cookie或会话的连接保持（Cookie/Session Persistence）等等。

参考

​​利用负载均衡优化和加速HTTP应用​​​TCP协议
​​TCP拥塞控制算法简介​​​​TCP之三次握手四次挥手​​​​长连接和心跳的那些事儿​​