深入理解TCP/IP协议 _TCP

很多人总觉得学习TCP/IP协议没什么用，觉得日常编程开发只需要知道socket接口怎么用就可以了。如果大家定位过线上问题就会知道，实际上并非如此。如果应用在局域网内，且设备一切正常的情况下可能确实如此，但如果一旦出现诸如中间交换机不稳定、物理服务器宕机或者其它异常情况时，此时引起的问题如果只停留在套接字接口的理解层面将无法解决。因此，深入理解TCP/IP协议，对我们分析异常问题有很大的帮助。
下图是网络通信中常见的架构，也就是CS架构。其中程序包括两部分，分别为客户端（Client）和服务端（Server）。当然，实际的环境还要复杂的多，在客户端和服务端之间可能有多种不同种类和数量的设备，这些设备都会增加网络通信的复杂性。自然，也会增加程序开发容错的复杂性。

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图1 基本架构
TCP的基本流程在分析异常情况之前，我们先回忆一下TCP协议的基本逻辑。在客户端和服务端能够收发数据之前首先必需建立连接。连接的建立在协议层面也是通过收发数据包完成，只不过在用户层面就是客户端调用了一个connect函数。连接的过程俗称“三次握手”，具体流程如图2所示。

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图2 TCP的三次握手流程
TCP连接的断开也是比较复杂的，需要经过所谓的“四次挥手”的流程。其原因是因为TCP是双工通信，分别需要从客户端和服务端2侧断开连接。

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图3 TCP的四次挥手
另外一个比较重要的内容是TCP协议的状态转换，理解了这个内容，我们才能清楚出现各种异常情况下数据包的内容。

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图4 TCP状态转换图
本文只是简单回忆一下TCP的基本流程，详细的内容可以参考本号之前的文章《从TCP到Socket，彻底理解网络编程是怎么回事
异常情况分析了解了TCP的基本流程之后，我们再看一下各种异常情况。这些异常情况才是我们在后续解决问题的时候的关键。了解了这些异常情况及原理，后面解决问题才能游刃有余。
1. 试图与一个不存在的端口建立连接（主机正常）
这里的不存在的端口是指在服务器端没有程序监听在该端口。我们的客户端就调用connect，试图与其建立连接。这时会发生什么呢？
这种情况下我们在客户端通常会收到如下异常内容：

[Errno 111] Connection refused（连接拒绝）

具体含义可以查一下linux的相关手册，或者用搜索引擎搜索一下。试想一下，服务端本来就没有程序监听在这个接口，因此在服务端是无法完成连接的建立过程的。我们参考‘三次握手’的流程可以知道当客户端的SYNC包到达服务端时，TCP协议没有找到监听的套接字，就会向客户端发送一个错误的报文，告诉客户端产生了错误。而该错误报文就是一个包含RST的报文。这种异常情况也很容易模拟，我们只需要写一个小程序，连接服务器上没有监听的端口即可。如下是通过wireshark捕获的数据包，可以看到红色部分的RST报文。

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图5 数据包截图
继续深入理解一下，在操作系统层面，TCP的服务端实际上就是从网卡的寄存器中读取数据，然后进行解析。对于TCP自然会解析出目的端口这个关键信息，然后根据这个信息查看有没有这样的套接字。这个套接字是什么呢？在用户层面是一个文件句柄，但在内核中实际是一个数据结构，里面记录了很多信息。这个数据结构存储在一个哈希表中，通过函数__inet_lookup_skb（net/inet_hashtables.h）可以实现对该数据结构的查找。对于上述情况，自然无法找到该套接字，因此TCP服务端会进行错误处理，处理的方式就是给客户端发送一个RST（通过函数tcp_v4_send_reset进行发送）。
2. 试图与一个某端口建立连接但该主机已经宕机（主机宕机）
这也是一种比较常见的情况，当某台服务器主机宕机了，而客户端并不知道，仍然尝试去与其建立连接。这种场景也是分为2种情况的，一种是刚刚宕机，另外一种是宕机了很长时间。为什么要分这2种情况？
这主要根ARP协议有关系，ARP会在本地缓存失效，TCP客户端就无法想目的服务端发送数据包了。