Linux 高性能服务器编程：TCP二

TCP的建立和关闭

复位报文段

1. 在某些特殊的情况，TCP连接的一端会向另一端发送携带RST标志的报文段，即复位报文段，以通知对方关闭连接或重新建立连接。
2. 收到复位报文段的一端应该关闭连接或重新连接，而不能回应这个复位报文段。

异常终止连接

1. TCP提供了异常终止一个连接的方法，即给对方发送一个复位报文段。一旦发送了复位报文段，发送端所有排队等待发送的数据都将被丢弃。

TCP交互数据流

1. TCP报文段所携带的应用程序数据按照长度分为两种：
   1. 交互数据
      仅包含很少的字节。使用交互数据的应用程序或协议对实时性要求高。
   2. 成块数据
      成块数据的长度通常则为TCP报文段允许的最大数据长度。使用成块数据的应用程序或协议对传输效率要求高。

Nagle算法

1. Nagle算法要求一个TCP连接的通信双方在任意时刻都最多只能发送一个未被确认的TCP报文段，在该TCP报文段的确认到达之前不能发送其他TCP报文段。
2. 另一方面，发送方在等待确认的同时收集本端需要发送的微量数据，并在确认到来时以一个TCP报文段将他们全部发出。
3. 这样极大的减少了网络上微小TCP报文段的数量。

TCP成块数据流

1. 当传输大量大块数据的时候，发送方会连续发送多个TCP报文段，接收方可以一次确认所有这些报文段。至于能连续发送多少个TCP报文段，则是由接收通告窗口的大小决定的。

带外数据

1. 有些传输层协议具有带外数据的概念，用于迅速通告对方本端发生的重要事件。
2. UDP没有实现带外数据传输，TCP也没有真正的带外数据。
   不过，TCP可以利用其头部中的紧急指针标志和紧急指针两个字段，给应用程序提供一种紧急方式。
   TCP的紧急方式利用的是传输普通数据的连接来传输紧急数据。

TCP超时重传

1. TCP服务必须能够重传超时时间内未收到确认的TCP报文段。
   为此，TCP模块为每个TCP报文段都维护一个重传定时器，该定时器在TCP报文段第一次被发送时启动。
   如果，超时时间内未收到接收方的应答，TCP模块将重传TCP报文段并重置定时器。
2. Linux有两个重要的内核参数与TCP超时重传有关：
   1. proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1，指定在底层IP接管之前TCP最少执行的重传次数，默认值是3。
   2. /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2，指定了连接放弃前TCP最多可以执行的重传次数，默认值是15（一般对应13到30分钟）。

TCP拥塞控制

概述

1. TCP模块还有一个重要的任务，就是提高网络利用率，降低丢包率，并保证网络资源对每条数据流的公平性。这就是所谓的拥塞控制。
2. 拥塞控制的四个部分：
   1. 慢启动
   2. 拥塞避免
   3. 快速重启
   4. 快速恢复
3. Linux下对拥塞控制有多种实现：reno、vegas、cubic等，它们或部分或全部实现了上述四个部分。
4. /proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control文件指示了机器当前所使用的拥塞控制算法。
5. 拥塞控制最终受控制变量是发送端向网络一次连续写入（收到其中第一个数据的确认之前）的数据量，称之为SWND（发送窗口）。
6. 不过，发送端最终是以报文段来发送数据，所以SWND限定了发送端能连续发送的TCP报文段数量。
7. 这些TCP报文段的最大长度（仅指数据部分），称为SMSS（发送者最大段大小），其值一般等于MSS。
8. 发送端需要合理地选择SWND的大小，如果SWND太小，会引起明显的网络延迟；反之，如果SWND太大，则容易导致网络拥塞。
9. 前面有提到，接收方可以通过其接收通告窗口（RWND）来控制发送端的SWND。但是显示是不够的，所以发送端引入了一个称为拥塞窗口（CWND）的状态变量。
   实际的SWND值是RWND和CWND中较小者。

慢启动和拥塞避免

1. TCP连接建立好之后，CWND将被设置成初始值IW（Initial Window），其大小为2到4个SMSS。但新的Linux内核提高了该初始值，以减小传输滞后。
   此时发送端，最多能发送IW字节的数据。
   此后发送端每收到接收端的一个确认，其CWND就按照下面公式增加：
   1. CWND += min(N，SMSS)
   2. N是此次确认中包含的之前未被确认的字节数。这样一来，CWND将按照指数形式扩大，这就是所谓的慢启动。
2. 慢启动算法的理由是，TCP模块刚开始发送数据时并不知道网络的实际情况，需要用一种试探的方式平滑地增加CWND的大小。
3. 但是如果不施加其他的手段，慢启动必然使得CWND很快膨胀（可见慢启动并不慢），并最终导致网络拥塞。
   因此TCP拥塞控制中定义了另一个重要的状态变量：慢启动门限。
   当CWND的大小超过该值时，TCP拥塞控制将进入拥塞避免阶段。
4. 拥塞避免算法使得CWND按照线性方式增加，从而减缓其扩大。

判断拥塞控制发生

1. 传输超时，或者说TCP重传定时器溢出。
   1. 采用慢启动和拥塞避免。
2. 接收到重复的确认报文段。
   1. 使用快速重传和快速恢复
3. 如果发送端检测到拥塞发生是由于传输超时导致的，也就是第一种情况，那么将将执行重传并作出如下调整：
   1. ssthresh=max(FlightSize/2, 2*SMSS) CWND <= SMSS
   2. FlightSize是已经发送但未收到确认的字节数。这样调整之后，CWND将小于SMSS，那么也必然小于新的慢启动门限值ssthresh，故而拥塞控制再次进入慢启动阶段。

快速重传和快速恢复

1. 很多情况下，发送端都可能接收到重复的确认报文段，比如TCP报文段丢失，或者接收端收到乱序TCP报文段并重排序等。拥塞控制算法需要判断当前收到重复的确认报文段时，网络是否真的发生了拥塞，或者说TCP报文段是否真的丢失了。
2. 具体做法是：
   发生端如果连续收到了3个重复的确认报文段，就认为是拥塞了。然后它启用快速重传和快速恢复算法来处理拥塞，过程如下：
   1. 当收到第三个重复的确认报文段时，按照ssthresh=max(FlightSize/2, 2*SMSS) CWND <= SMSS来计算出ssthresh，然后立即重传丢失的报文段，并按照CWND=ssthresh+3*SMSS设置CWND。
   2. 每次收到一个重复的确认时，设置CWND=CWND+SMSS，此时发送端可以发送新的TCP报文段（如果新的CWND允许的话）。
   3. 当收到新数据的确认时，设置CWND=ssthresh。
3. 快速重传和快速恢复完成之后，拥塞控制将恢复到拥塞避免阶段。