TCP协议基于计时器的重传策略模拟实战

前言：

关于TCP协议的重传策略，是TCP数据传输正确性的重要保证。

由于下层网络层协议可能出现的包丢失、重复、失序包等问题，当TCP协议基于某种策略确认当前包已经发生以上情况，就会启动重传。

TCP拥有两套机制来完成重传：基于超时时间；基于确认消息（SACK）；

本文主要来模拟下基于超时时间的重传。

1.环境准备

笔者准备两台机器，一台启动ServerSocket服务，另一台就启动telnet命令进行连接发送请求等操作

1.1 ServerSocket

笔者这里使用的是标准的java ServerSocket，来启动一个端口监听，代码如下：

public class BIOServerSocket {private String address;private int port;public BIOServerSocket(String address, int port) {this.address = address;this.port = port;}public void startServer() {try {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();serverSocket.bind(new InetSocketAddress(address, port));System.out.println("bio server start...");while (true) {Socket clientSocket = serverSocket.accept();System.out.println("client connect...");// 写入 threadServerWriteThread serverWriteThread = new ServerWriteThread(clientSocket);serverWriteThread.start();// 读取数据read(clientSocket);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}private void read(Socket clientSocket) {try {BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));String msg = "";while ((msg = bufferedReader.readLine()) != null) {System.out.println("receive msg: " + msg);}} catch (IOException e) {try {clientSocket.close();} catch (IOException ex) {ex.printStackTrace();}e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {String address = "192.168.3.8";int port = 9999;BIOServerSocket bioServerSocket = new BIOServerSocket(address, port);bioServerSocket.startServer();}
}/*** 从Scanner获取输入信息，并写回到client*/
class ServerWriteThread extends Thread {private Socket socket;private PrintWriter writer;private Scanner scanner;public ServerWriteThread(Socket socket) throws IOException{this.socket = socket;scanner = new Scanner(System.in);this.writer = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);}@Overridepublic void run() {String msg = "";try {while ((msg = scanner.nextLine()) != null) {if (msg.equals("bye")) {socket.close();break;}writer.println(msg);}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

代码很简单，笔者不再多述。

1.2 启动客户端telnet

笔者在另一台机器上（Ubuntu docker）启动一个telnet命令，用来创建对上述ServerSocket的连接

root@93de58bae514:/# telnet 192.168.3.8 9999
Trying 192.168.3.8...
Connected to 192.168.3.8.
Escape character is '^]'.

1.3 wireshark监听

笔者在这里提前启动wireshark监听服务，当1.2步骤中的telnet执行完成后，我们可以看到三次握手建立完成。如下所示：

2.超时重传模拟

这里的超时重传，我们本质上是在模拟当客户端发送数据包后，在规定时间内没有收到服务端的ACK包时，自发的一种重传当前数据包策略。

我们通过客户端来模拟下该动作

2.1 正常收发包

客户端正常发包

root@93de58bae514:/# telnet 192.168.3.8 9999
Trying 192.168.3.8...
Connected to 192.168.3.8.
Escape character is '^]'.# 以下数据包逐个发送出去
a
b
c

服务端正常收到以上数据包

client connect...
receive msg: a
receive msg: b
receive msg: c

2.2 模拟网络异常后的发包

如果模拟两台机器之间的网络异常呢？

笔者就直接把服务端的网络禁止掉（服务端笔者使用的是Windows电脑，直接设置成飞行模式，这样外部请求就进不来），此时服务端程序还在，但是无法收发数据包

此时客户端再次发送数据包

root@93de58bae514:/# telnet 192.168.3.8 9999
Trying 192.168.3.8...
Connected to 192.168.3.8.
Escape character is '^]'.# 以下数据包逐个发送出去
a
b
c# 网络异常后再次发送数据包
d
Connection closed by foreign host.

这时我们再看服务端，没有出现receive msg: d，说明客户端的数据包确实没有发送到服务端。

那么数据在哪呢？我们还是通过wireshark来看下包的发送情况：

在163行数据第一次发送数据d失败后，后续一直在重试，一直重试到336行数据为止。

2.3 TCP超时重传规律

根据wireshark的包发送情况，我们可以总结出来这么些规律

1.与SYN包重传策略类似，数据包的重传基本也是指数级避退的（看第二列数据[发送时间]可以看出这个规律）

2.数据包的重传有个最大限制，上图中重传了15次，最终直接关闭了连接

2.4 TCP超时重传阈值设置

TCP拥有两个阈值来决定如何重传同一个报文段。

R1表示TCP再向IP层传递消极建议前，愿意尝试重传的次数；

R2表示指示TCP应放弃当前连接的时机

可以通过查看系统参数获取：

root@93de58bae514:/# sysctl -a | grep net.ipv4.tcp_retries
sysctl: reading key "net.ipv6.conf.all.stable_secret"
net.ipv4.tcp_retries1 = 3  # R1
net.ipv4.tcp_retries2 = 15 # R2

基于R2而言，比较符合我们上述测试的结果，在重试了15次之后，终于放弃重试，关闭当前连接。

总结：

笔者在模拟这个重传还是比较困难的，一直想不到好的办法来模拟，直接关闭服务端进程的话，同时所有的客户端连接也被直接关闭了。

后来才想明白，直接关闭网络，太为难了。

TCP超时重传策略看了N多遍，但总是忘记，所以最好的学习的办法还是实战。实战一次之后就特别清晰了。

与君共勉之！