syn重发_TCP/IP： 超时，重传，控流，拥塞处理

上篇文章 关于 TCP/IP 几点总结 用通俗方式讲述了TCP/IP几点基本知识。本文将总结TCP/IP 通信过程经常碰见的几个超时情况

1 建连接时SYN超时

假设server端接到了clien发的SYN后回了SYN-ACK后client掉线了，server端没有收到client回来的ACK，那么，这个连接处于一个中间状态，即没成功，也没失败。于是，server端如果在一定时间内没有收到的TCP会重发SYN-ACK。在Linux下，默认重试次数为5次，重试的间隔时间从1s开始每次都翻售，5次的重试时间间隔为1s, 2s, 4s, 8s, 16s，总共31s，第5次发出后还要等32s都知道第5次也超时了，所以，总共需要 1s + 2s + 4s+ 8s+ 16s + 32s = 2^6 -1 = 63s，TCP才会把断开这个连接

2 SYN Flood攻击

凡是有超时的地方就有DDOS攻击的可能。一些恶意的人就为此制造了SYN Flood攻击——给服务器发了一个SYN后，就下线了，于是服务器需要默认等63s才会断开连接，这样，攻击者就可以把服务器的syn连接的队列耗尽，让正常的连接请求不能处理。于是，Linux下给了一个叫tcp_syncookies的参数来应对这个事——当SYN队列满了后，TCP会通过源地址端口、目标地址端口和时间戳打造出一个特别的Sequence Number发回去(又叫cookie)，如果是攻击者则不会有响应，如果是正常连接，则会把这个 SYN Cookie发回来，然后服务端可以通过cookie建连接(即使你不在SYN队列中)。注意，请先千万别用tcp_syncookies来处理正常的大负载的连接的情况。因为，synccookies是妥协版的TCP协议，并不严谨。对于正常的请求，你应该调整三个TCP参数可供你选择，第一个是：tcp_synack_retries可以用他来减少重试次数；第二个是：tcp_max_syn_backlog，可以增大SYN连接数；第三个是：tcp_abort_on_overflow 处理不过来干脆就直接拒绝连接了

3 ISN的初始化

ISN是不能硬编码，不然会出问题的——比如：如果连接建好后始终用1来做ISN，如果client发了30个segment过去，但是网络断了，于是 client重连，又用了1做ISN，但是之前连接的那些包到了，于是就被当成了新连接的包，此时，client的Sequence Number 可能是3，而Server端认为client端的这个号是30了。全乱了。RFC793中说，ISN会和一个假的时钟绑在一起，这个时钟会在每4微秒对ISN做加一操作，直到超过2^32，又从0开始。这样，一个ISN的周期大约是4.55个小时。因为，我们假设我们的TCP Segment在网络上的存活时间不会超过Maximum Segment Lifetime(缩写为MSL)，所以，只要MSL的值小于4.55小时，那么，我们就不会重用到ISN。

4 MSL 和 TIME_WAIT

通过上面的ISN的描述，相信你也知道MSL是怎么来的了。我们注意到，在TCP的状态图中，从TIME_WAIT状态到CLOSED状态，有一个超时设置，这个超时设置是 2*MSL(RFC793定义了MSL为2分钟，Linux设置成了30s)。

为什么要这有TIME_WAIT，为什么不直接给转成CLOSED状态。主要有两个原因：

1)TIME_WAIT确保有足够的时间让对端收到了ACK，如果被动关闭的那方没有收到Ack，就会触发被动端重发Fin，一来一去正好2个MSL，

2)有足够的时间让这个连接不会跟后面的连接混在一起(你要知道，有些自做主张的路由器会缓存IP数据包，如果连接被重用了，那么这些延迟收到的包就有可能会跟新连接混在一起)

5 TIME_WAIT数量太多以及解决方案

从上面的描述我们可以知道，TIME_WAIT是个很重要的状态，但是如果在大并发的短链接下，TIME_WAIT 就会太多，这也会消耗很多系统资源。网上很多教程会教你设置两个参数，一个叫tcp_tw_reuse，另一个叫tcp_tw_recycle的参数，这两个参数默认值都是被关闭的，后者recyle比前者resue更为激进，resue要温柔一些。另外，如果使用tcp_tw_reuse，必需设置tcp_timestamps=1，否则无效。这里，你一定要注意，打开这两个参数会有比较大的坑——可能会让TCP连接出一些诡异的问题(因为如上述一样，如果不等待超时重用连接的话，新的连接可能会建不上。

tcp_tw_reuse：

官方文档上说tcp_tw_reuse 加上tcp_timestamps(又叫PAWS, for Protection Against Wrapped Sequence Numbers)可以保证协议的角度上的安全，但是你需要tcp_timestamps在两边都被打开。

tcp_tw_recycle：

如果是tcp_tw_recycle被打开了话，会假设对端开启了tcp_timestamps，然后会去比较时间戳，如果时间戳变大了，就可以重用。但是，如果对端是一个NAT网络的话(如：一个公司只用一个IP出公网)或是对端的IP被另一台重用了，这个事就复杂了。建链接的SYN可能就被直接丢掉了可能会看到connection time out的错误。

tcp_max_tw_buckets：

这个是控制并发的TIME_WAIT的数量，默认值是180000，如果超限，那么，系统会把多的给destory掉，然后在日志里打一个警告(如：time wait bucket table overflow)，官网文档说这个参数是用来对抗DDoS攻击的。也说的默认值180000并不小。这个还是需要根据实际情况考虑。

使用tcp_tw_reuse和tcp_tw_recycle来解决TIME_WAIT的问题是非常非常危险的，因为这两个参数违反了TCP协议

其实，TIME_WAIT表示的是你主动断连接。如果让对端断连接，那么这个破问题就是对方的了。另外，如果你的服务器是于HTTP服务器，那么设置一个HTTP的KeepAlive有多重要(浏览器会重用一个TCP连接来处理多个HTTP请求)，然后让客户端去断链接。

----------------------------------接下来探讨下可靠性与重传机制--------------------------

1 ACK 携带信息1)期待要收到下一个数据包的编号；

2)接收方的接收窗口的剩余容量。

注意：由于 TCP 通信是双向的，所以双方都需要发送 ACK。两方的窗口大小，很可能是不一样的。而且 ACK 只是很简单的几个字段，通常与数据合并在一个数据包里面发送。

上图一共4次通信。第一次通信，A 主机发给B 主机的数据包编号是1，长度是100字节，因此第二次通信 B 主机的 ACK 编号是 1 + 100 = 101，第三次通信 A 主机的数据包编号也是 101。同理，第二次通信 B 主机发给 A 主机的数据包编号是1，长度是200字节，因此第三次通信 A 主机的 ACK 是201，第四次通信 B 主机的数据包编号也是201

2 TCP 协议可以保证数据通信的可靠性，做法如下

每一个数据包都带有下一个数据包的编号。如果下一个数据包没有收到，那么 ACK 的编号就不会发生变化。

接收端给发送端的Ack确认只会确认最后一个连续的包，比如，发送端发了1,2,3,4,5一共五份数据，接收端收到了1，2，于是回ack 3，然后收到了4(注意此时3没收到)，此时的TCP会怎么办？我们要知道，因为正如前面所说的，SeqNum和Ack是以字节数为单位，所以ack的时候，不能跳着确认，只能确认最大的连续收到的包，不然，发送端就以为之前的都收到了。如果发送方发现收到连续的重复 ACK，或者超时了还没有收到任何 ACK，就会确认丢包，从而再次发送这个包。通过重传这种机制，TCP 保证了不会有数据包丢失

3 超时重传机制：

一种是不回ack，死等3，当发送方发现收不到3的ack超时后，会重传3。一旦接收方收到3后，会ack 回 4——意味着3和4都收到了。

但是，这种方式会有比较严重的问题，那就是因为要死等3，所以会导致4和5即便已经收到了，而发送方也完全不知道发生了什么事，因为没有收到Ack，所以，发送方可能会悲观地认为也丢了，所以有可能也会导致4和5的重传。

对此有两种选择：1 )仅重传timeout的包。也就是第3份数据。

2) 重传timeout后所有的数据，也就是第3，4，5这三份数据。

第一种会节省带宽，但是慢，第二种会快一点，但是会浪费带宽，也可能会有无用功。但总体来说都不好。因为都在等timeout，timeout可能会很长，针对两种情况TCP/IP 协议给了三种算法供选择：Fast Retransmit，Selective Acknowledgment，Duplicate SACK。后续可针对此类算法进行展开详解

4 超时重传中的超时TIMEOUT设置 问题

针对上述情况得知合理的设置timeout时间长度对重传很重要

1)设长了，重发就慢，丢了老半天才重发，没有效率，性能差；

2)设短了，会导致可能并没有丢就重发。于是重发的就快，会增加网络拥塞，导致更多的超时，更多的超时导致更多的重发。

这个超时时间在不同的网络的情况下，不是设置一个固定值。只能动态地设置。 为了动态地设置，TCP引入了RTT——Round Trip Time，也就是一个数据包从发出去到回来的时间。这样发送端就大约知道需要多少的时间，从而可以方便地设置Timeout——RTO(Retransmission TimeOut)，以让我们的重传机制更高效。 听起来似乎很简单，好像就是在发送端发包时记下t0，然后接收端再把这个ack回来时再记一个t1，于是RTT = t1 – t0。没那么简单，这只是一个采样，不能代表普遍情况。TCP/IP 给出的RTT算法：Karn / Partridge 算法， Jacobson / Karels 算法。后续可针对此类算法进行展开详解

------------------------------TCP控流讨论--------------------------------------------

TCP必需要解决的可靠传输以及包乱序(reordering)的问题，所以，TCP必需要知道网络实际的数据处理带宽或是数据处理速度，这样才不会引起网络拥塞，导致丢包。

TCP引入了一些技术和设计来做网络流控，Sliding Window是其中一个技术。 前面我们说过，TCP头里有一个字段叫Window，又叫Advertised-Window，这个字段是接收端告诉发送端自己还有多少缓冲区可以接收数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据，而不会导致接收端处理不过来。 接收端在给发送端回ACK中会汇报自己的可用窗口大小，而发送方会根据这个窗口来控制发送数据的大小，以保证接收方可以处理。

问题1)Window变成0了，TCP处理方式如下：

发送端在窗口变成0后，会发ZWP的包给接收方，让接收方来ack他的Window尺寸，一般这个值会设置成3次，第次大约30-60秒(不同的实现可能会不一样)。如果3次过后还是0的话，有的TCP实现就会发RST把链接断了。

注意： 只要有等待的地方都可能出现DDoS攻击，Zero Window也不例外，一些攻击者会在和HTTP建好链发完GET请求后，就把Window设置为0，然后服务端就只能等待进行ZWP，于是攻击者会并发大量的这样的请求，把服务器端的资源耗尽

问题2)当对方Window 越来越小，接收方处理方式如下：

如果接收方处理速度越来越慢，就导致接收方可用窗口越来越小。到最后，如果接收方腾出几个字节并告诉发送方现在有几个字节的window，发送方会义无反顾地发送这几个字节，本来一次通信可以传输很大块字节，现在只能几个字节，这就造成资源浪费。要解决这个问题也不难，就是避免对小的window size做出响应，直到有足够大的window size再响应，这个思路可以同时实现在sender和receiver两端：如果这个问题是由Receiver端引起的，那么就会使用 David D Clark’s 方案。在receiver端，如果收到的数据导致window size小于某个值，可以直接ack(0)回sender，这样就把window给关闭了，也阻止了sender再发数据过来，等到receiver端处理了一些数据后windows size 大于等于了MSS，或者，receiver buffer有一半为空，就可以把window打开让send 发送数据过来。

如果这个问题是由Sender端引起的，那么就会使用著名的 Nagle’s algorithm。这个算法的思路也是延时处理，他有两个主要的条件：1)要等到 Window Size>=MSS 或是 Data Size >=MSS，2)收到之前发送数据的ack回包，他才会发数据，否则就是在攒数据。

--------------------------TCP拥塞处理-------------------------------------------------

TCP通过Sliding Window来做流控(Flow Control)，但是TCP觉得这还不够，因为Sliding Window需要依赖于连接的发送端和接收端，其并不知道网络中间发生了什么。TCP的设计者觉得，TCP协议仅仅做到流控并不够，因为流控只是网络模型4层以上的事，TCP的还应该更聪明地知道整个网络上的事。

具体一点，我们知道TCP通过一个timer采样了RTT并计算RTO，但是，如果网络上的延时突然增加，那么，TCP对这个事做出的应对只有重传数据，但是，重传会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，于是，这个情况就会进入恶性循环被不断地放大。试想一下，如果一个网络内有成千上万的TCP连接都这么行事，那么马上就会形成“网络风暴”，TCP这个协议就会拖垮整个网络。这是一个灾难。

所以，TCP不能忽略网络上发生的事情，而无脑地一个劲地重发数据，对网络造成更大的伤害。对此TCP的设计理念是：TCP不是一个自私的协议，当拥塞发生的时候，要做自我牺牲。就像交通阻塞一样，每个车都应该把路让出来，而不要再去抢路了

拥塞控制主要是四个算法：1)慢启动；

2)拥塞避免；

3)拥塞发生；

4)快速恢复。

后续可针对此算法进行展开