tcp协议栈实现,tcp定时器与滑动窗口实现
要实现用户态协议栈,必须要搞懂TCP,TCP 11个状态、滑动窗口、拥塞控制、定时器等等。
要使用用户态协议栈,内核提供的epoll就不起作用了,我们需要自己实现用户态的epoll。epoll内部涉及到一个回调的时机,回调的作用是将红黑树中的节点添加进就绪队列,具体在epoll原理里面会具体讲解。搞清楚TCP的11个状态,我们就明白应该在什么时机进行回调了。
TCP状态转换图
在前面的[posix与网络协议栈](Build software better, together api和网络协议栈.md)中,已经介绍了tcp的状态转换。可以结合tcp状态转换图一起看。
TCP状态保存在哪里?保存在TCB中,即TCP PCB,协议控制块。里面包含了socket信息,以及sendbuffer,recvbuffer。TCB保存了从listen到time_wait的所有状态。
用户态TCP协议栈实现
前面实现了UDP协议栈,TCP协议栈实现也是类似的,但是比UDP要复杂很多。
TCP头定义
seq num初始值是多少,到达最大值(2^32 - 1)后怎么样, 会越界吗?
seq num初始值是一个随机值,之后累加。到达最大值后又从0开始计算,不会越界。
seq num指的是包的数量,还是字节数量?
计算的时候,使用的都是字节数。
TCP的包是什么意思?TCP头为什么没有包长?
TCP前后两个包都有序号,就可以计算出包的长度。
ack num = seq num + 包长。
header length是4bit,最大值是15,单位是4个字节,所以TCP头最大时15*4 = 60字节。没有option的话,TCP头是20字节,header length值就是5。
window size,能够接收数据的最大容量。
urgent pointer, 如果URG位置1,就是告诉对端从这个位置开始的数据,要马上处理。
struct tcphdr {unsigned short sport;unsigned short dport;unsigned int seqnum;unsigned int acknum;unsigned char hdrlen_resv;unsigned char flag; unsigned short window;unsigned short checksum;unsigned short urgent_pointer;unsigned int options[0];};
定义TCP flag
#define TCP_CWR_FLAG 0x80
#define TCP_ECE_FLAG 0x40
#define TCP_URG_FLAG 0x20
#define TCP_ACK_FLAG 0x10
#define TCP_PSH_FLAG 0x08
#define TCP_RST_FLAG 0x04
#define TCP_SYN_FLAG 0x02
#define TCP_FIN_FLAG 0x01
后面5个flag比较重要
ACK 是用来确认的
PSH 告诉对端赶紧通知应用程序把数据包处理了,在数据传输过程都可以设置成PSH。
RST,收到的ack num,或者seq num、widow size非法,或者数据不对了,就给对端回一个RST。三次握手发送第一次后,超时没收到对端的第二次握手,也会发送一个RST。
SYN只是在连接开始的时候,用于告诉对端seq num,也就是发送的第一个包的序号。
FIN,终止。
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定义TCP包
struct tcppkt {struct ethhdr eh; // 14struct iphdr ip; // 20 struct tcphdr tcp; // 8unsigned char data[0];};
定义TCP状态
typedef enum _tcp_status {TCP_STATUS_CLOSED,TCP_STATUS_LISTEN,TCP_STATUS_SYN_REVD,TCP_STATUS_SYN_SENT,TCP_STATUS_ESTABLISHED,TCP_STATUS_FIN_WAIT_1,TCP_STATUS_FIN_WAIT_2,TCP_STATUS_CLOSING,TCP_STATUS_TIME_WAIT,TCP_STATUS_CLOSE_WAIT,TCP_STATUS_LAST_ACK,};
定义TCB
struct ntcb {unsigned int sip;unsigned int dip;unsigned short sport;unsigned short dport;unsigned char smac[ETH_ADDR_LENGTH];unsigned char dmac[ETH_ADDR_LENGTH];unsigned char status;};
实现TCP三次握手
服务端处理好三次握手的状态转换,客户端就能与服务器建立连接。
int main() {struct nm_pkthdr h;struct nm_desc *nmr = nm_open("netmap:eth0", NULL, 0, NULL);if (nmr == NULL) return -1;struct pollfd pfd = {0};pfd.fd = nmr->fd;pfd.events = POLLIN;struct ntcb tcb;while (1) {int ret = poll(&pfd, 1, -1);if (ret < 0) continue;if (pfd.revents & POLLIN) {unsigned char *stream = nm_nextpkt(nmr, &h);struct ethhdr *eh = (struct ethhdr *)stream;if (ntohs(eh->h_proto) == PROTO_IP) {struct udppkt *tcp = (struct udppkt *)stream;if (tcp->ip.type == PROTO_TCP) {struct tcppkt *tcp = (struct tcppkt *)stream;unsigned int sip = tcp->ip.sip;unsigned int dip = tcp->ip.dip;unsigned short sport = tcp->tcp.sport;unsigned short dport = tcp->tcp.dport;tcb = search_tcb();if (tcb->status == TCP_STATUS_LISTEN) { //if (tcp->tcp.flag & TCP_SYN_FLAG) {client_tcb = create_tcb();client_tcb->status = TCP_STATUS_SYN_REVD;// 将sip,sport,smac与dip,dport,dmac互换// send syn, ack pkt// seqnum, ack } } else if (tcb->status == TCP_STATUS_SYN_REVD) {if (tcp->tcp.flag & TCP_ACK_FLAG) {client_tcb->status = TCP_STATUS_ESTABLISHED;}}}}}}}
数据发送过程
MSS(Maximum Segment Size,最大报文长度),是TCP协议定义的一个选项,MSS选项用于在TCP连接建立时,收发双方协商通信时每一个报文段所能承载的最大数据长度。
MTU,是对数据链路层的限制。
客户端到服务器
发送1M的文件
sendbuffer = 2k
mss = 512
mtu = 1500
while (1) {poll(fd)send(fd, buffer, 1k, 0);}
如果客户端sendbuff = 2k, mss = 512。要分4个包发送
客户端能否发出去这4个包呢?
不一定,取决于服务器的接收窗口window size大小。如果window size是1024。客户端如果发送两个包,每个包大小512,则如果服务器的应用程序没有取,那么回的ack包里面的window size就会是0,那么客户端的sendbuffer里面就会剩下1k数据发送不了。就会等服务器数据处理完了再发送。
如果每发送一个包,就等待ack,这种效率太慢。我们需要能够同时发送多个包,就是慢启动的过程。
慢启动的过程
第一次发送 1 * mss
第二次发送 2 * mss
第三次发送 4 * mss
慢启动的过程,发送1mss,2mss,4*mss,…
如何判断数据包超出网络负载?
通过判断超时。超时时间又怎么算呢?
拥塞避免,从客户端往服务器发送数据包,网络上的数据越来越多,造成网络拥塞,致使服务器没有办法正确接收数据。
如何判断数据包超出网络负载?
rtt, round trip time, 数据包往返一次的时间。
进入电梯这种弱网的环境下,rtt突然变大,叫做抖动。
当前rtt计算方法
rtt = 0.1 * rtt(new) + 0.9 * rtt(old), 是一个消抖的过程。
用于判断当前这一次有没有超时,一旦出现超时,判断在发送包的数量上是否需要减一减,超出网络负载。
如果服务器的window size是0,没有接收的空间了,客户端就不能再发送了。如果服务器处理完数据,有空间了,客户端怎么能知道服务器有空间了呢?
服务器端window是0,等到服务端将数据处理完,window不为0的时候,客户端怎么能知道服务器已经有接收空间了呢?
服务器主动告诉客户端。-- 不好的地方,如果通知包在网络中丢失了怎么办?
客户端定时查询 – TCP是这种做法,当收到对端window为0,定时发送探测包, 就是探测定时器。
客户端定时查询更好。
滑动窗口
滑动窗口也是以mss作为单位的。
滑动窗口。
在接收的过程中间,准备好指针。一根指针对应已经发送确认的,另一根指针对应允许接收的最大位置。两根指针之间的长度表示window size。
回ack的表示前面的数据都已经收到,都可以调用recv进行处理;未发送ack先不用管,表示数据还没有组织好,还不能调用recv处理。
window大小和recvbuff的关系?
window size和recvbuff是有关系的,但是是两个概念。
看起来window size = recvbuff / 2, 这个没有找到具体的说明。
定时器
重传定时器、探测定时器(坚持定时器)、keepalive、TIME_WAIT定时器、延迟ack定时器
重传定时器,发送端发送一个包后,启动重传定时器,RTT超时重传,如果在规定时间内收到ack包,则撤销定时器;
探测定时器,如果对端window size 是0,则启动探测定时器;
TCP已经有keepalive,应用层为什么还要提供心跳包?
TCP keepalive也是心跳包,超时主动回收TCB,应用层感知不到。应用层心跳包可控制性更强。
TIME_WAIT定时器,time_wait时间是2msl,防止4次挥手的最后一次ack丢失。
延迟ack定时器,接收端收到TCP包,启动200ms定时器,后面再次收到数据,则重置定时器,超时后发送ack。
参考资料
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