TCP协议疑难杂症解析

首先我们认识一下为何IP协议是沙漏的细腰部分。它的下层是繁多的链路层协议，这些链路提供了相互截然不同且相差很远的语义，为了互联这些异构的网络，我们需要一个网络层协议起码要提供一些适配的功能，另外它必然不能提供太多的“保证性服务”，因为上层的保证性依赖下层的约束性更强的保证性，你永远无法在一个100M吞吐量的链路之上实现的IP协议保证1000M的吞吐量…

IP协议设计为分组转发协议，每一跳都要经过一个中间节点，路由的设计是TCP/IP网络的另一大创举，这样，IP协议就无需方向性，路由信息和协议本身不再强关联，它们仅仅通过IP地址来关联，因此，IP协议更加简单。路由器作为中间节点也不能太复杂，这涉及到成本问题，因此路由器只负责选路以及转发数据包。

因此传输控制协议必然需要在端点实现。在我们详谈TCP协议之前，首先要看一下它不能做什么，由于IP协议不提供保证，TCP也不能提供依赖于IP下层链路的这种保证，比如带宽，比如时延，这些都是链路层决定的，既然IP协议无法修补，TCP也不能，然而它却能修正始于IP层的一些“不可保证性质”，这些性质包括IP层的不可靠，IP层的不按顺序，IP层的无方向/无连接。

将该小节总结一下，TCP/IP模型从下往上，功能增加，需要实现的设备减少，然而设备的复杂性却在增加，这样保证了成本的最小化，至于性能或者因素，靠软件来调节吧，TCP协议就是这样的软件，实际上最开始的时候，TCP并不考虑性能，效率，公平性，正是考虑了这些，TCP协议才复杂了起来。

1.数据顺序性

基本上传输可靠性是靠序列号实现的。

疑难杂症7：确认号和超时重传
确认号是一个很诡异的东西，因为TCP的发送端对于发送出去的一个数据序列，它只要收到一个确认号就认为确认号前面的数据都被收到了，即使前面的某个确认号丢失了，也就是说，发送端只认最后一个确认号。这是合理的，因为确认号是接收端发出的，接收端只确认按序到达的最后一个TCP分段。

另外，发送端重发了一个TCP报文并且接收到该TCP分段的确认号，并不能说明这个重发的报文被接收了，也可能是数据早就被接收了，只是由于其ACK丢失或者其ACK延迟到达导致了超时。值得说明的是，接收端会丢弃任何重复的数据，即使丢弃了重复的数据，其ACK还是会照发不误的。

标准的早期TCP实现为，只要一个TCP分段丢失，即使后面的TCP分段都被完整收到，发送端还是会重传从丢失分段开始的所有报文，这就会导致一个问题，那就是重传风暴，一个分段丢失，引起大量的重传。这种风暴实则不必要的，因为大多数的TCP实现中，接收端已经缓存了乱序的分段，这些被重传的丢失分段之后的分段到达接收端之后，很大的可能性是被丢弃。关于这一点在拥塞控制被引入之后还会提及(问题先述为快：本来报文丢失导致超时就说明网络很可能已然拥塞，重传风暴只能加重其拥塞程度)。

疑难杂症8：乱序数据缓存以及选择确认
TCP是保证数据顺序的，但是并不意味着它总是会丢弃乱序的TCP分段，具体会不会丢弃是和具体实现相关的，RFC建议如果内存允许，还是要缓存这些乱序到来的分段，然后实现一种机制等到可以拼接成一个按序序列的时候将缓存的分段拼接，这就类似于IP协议中的分片一样，但是由于IP数据报是不确认的，因此IP协议的实现必须缓存收到的任何分片而不能将其丢弃，因为丢弃了一个IP分片，它就再也不会到来了。

现在，TCP实现了一种称为选择确认的方式，接收端会显式告诉发送端需要重传哪些分段而不需要重传哪些分段。这无疑避免了重传风暴。

2.端到端的流量控制及协议效率

端到端的流量控制使用滑动窗口来实现。滑动窗口的原理非常简单，基本就是一个生产者/消费者模型。

疑难杂症10：流量控制的真实意义
很多人以为流量控制会很有效的协调两端的流量匹配，确实是这样，但是如果你考虑到网络的利用率问题，TCP的流量控制机制就不那么完美了，造成这种局面的原因在于，滑动窗口只是限制了最大发送的数据，却没有限制最小发送的数据，结果导致一些很小的数据被封装成TCP分段，报文协议头所占的比例过于大，造成网络利用率下降，这就引出了接下来的内容，那就是端到端意义的TCP协议效率。

2.1.三个问题以及解决

问题1描述：接收端处理慢，导致接收窗口被填满
这明显是速率不匹配引发的问题，然而即使速率不匹配，只要滑动窗口能协调好它们的速率就好，要快都快，要慢都慢，事实上滑动窗口在这一点上做的很好。但是如果我们不得不从效率上来考虑问题的话，事实就不那么乐观了。考虑此时接收窗口已然被填满，慢速的应用程序慢腾腾的读取了一个字节，空出一个位置，然后通告给TCP的发送端，发送端得知空出一个位置，马上发出一个字节，又将接收端填满，然后接收应用程序又一次慢腾腾…这就是糊涂窗口综合症，一个大多数人都很熟悉的词。这个问题极大的浪费了网络带宽，降低了网络利用率。好比从大同拉100吨煤到北京需要一辆车，拉1Kg煤到北京也需要一辆车(超级夸张的一个例子，请不要相信)，但是一辆车开到北京的开销是一定的…

问题1解决：窗口通告
对于问题1，很显然问题出在接收端，我们没有办法限制发送端不发送小分段，但是却可以限制接收端通告小窗口，这是合理的，这并不影响应用程序，此时经典的延迟/吞吐量反比律将不再适用，因为接收窗口是满的，其空出一半空间表示还有一半空间有数据没有被应用读取，和其空出一个字节的空间的效果是一样的，因此可以限制接收端当窗口为0时，直接通告给发送端以阻止其继续发送数据，只有当其接收窗口再次达到MSS的一半大小的时候才通告一个不为0的窗口，此前对于所有的发送端的窗口probe分段(用于探测接收端窗口大小的probe分段，由TCP标准规定)，全部通告窗口为0，这样发送端在收到窗口不为0的通告，那么肯定是一个比较大的窗口，因此发送端可以一次性发出一个很大的TCP分段，包含大量数据，也即拉了好几十吨的煤到北京，而不是只拉了几公斤。

即，限制窗口通告时机，解决糊涂窗口综合症

问题2描述：发送端持续发送小包，导致窗口闲置
这明显是发送端引起的问题，此时接收端的窗口开得很大，然而发送端却不积累数据，还是一味的发送小块数据分段。只要发送了任和的分段，接收端都要无条件接收并且确认，这完全符合TCP规范，因此必然要限制发送端不发送这样的小分段。

问题2解决：Nagle算法
Nagel算法很简单，标准的Nagle算法为：

IF 数据的大小和窗口的大小都超过了MSS
    Then 发送数据分段
ELSE
    IF 还有发出的TCP分段的确认没有到来
        Then 积累数据到发送队列的末尾的TCP分段
    ELSE
        发送数据分段
    EndIF
EndIF

可是后来，这个算法变了，变得更加灵活了，其中的：
 IF 还有发出的TCP分段的确认没有到来
变成了
IF 还有发出的不足MSS大小的TCP分段的确认没有到来

这样如果发出了一个MSS大小的分段还没有被确认，后面也是可以随时发送一个小分段的，这个改进降低了算法对延迟时间的影响。这个算法体现了一种自适应的策略，越是确认的快，越是发送的快，虽然Nagle算法看起来在积累数据增加吞吐量的同时也加大的时延，可事实上，如果对于类似交互式的应用，时延并不会增加，因为这类应用回复数据也是很快的，比如Telnet之类的服务必然需要回显字符，因此能和对端进行自适应协调。

注意，Nagle算法是默认开启的，但是却可以关闭。如果在开启的情况下，那么它就严格按照上述的算法来执行。

问题3.确认号(ACK)本身就是不含数据的分段，因此大量的确认号消耗了大量的带宽
这是TCP为了确保可靠性传输的规范，然而大多数情况下，ACK还是可以和数据一起捎带传输的。如果没有捎带传输，那么就只能单独回来一个ACK，如果这样的分段太多，网络的利用率就会下降。从大同用火车拉到北京100吨煤，为了确认煤已收到，北京需要派一辆同样的火车空载开到大同去复命，因为没有别的交通工具，只有火车。如果这位复命者刚开着一列火车走，又从大同来了一车煤，这拉煤的哥们儿又要开一列空车去复命了。

问题3的解决：延迟ACK，捎带ACK
RFC建议了一种延迟的ACK，也就是说，ACK在收到数据后并不马上回复，而是延迟一段可以接受的时间，延迟一段时间的目的是看能不能和接收方要发给发送方的数据一起回去，因为TCP协议头中总是包含确认号的，如果能的话，就将ACK一起捎带回去，这样网络利用率就提高了。往大同复命的确认者不必开一辆空载火车回大同了，此时北京正好有一批货物要送往大同，这位复命者搭着这批货的火车返回大同。

如果等了一段可以接受的时间，还是没有数据要发往发送端，此时就需要单独发送一个ACK了，然而即使如此，这个延迟的ACK虽然没有等到可以被捎带的数据分段，也可能等到了后续到来的TCP分段，这样它们就可以取最大者一起返回了，要知道，TCP的确认号是收到的按序报文的最后一个字节的后一个字节。最后，RFC建议，延迟的ACK最多等待两个分段的积累确认。