TCP 协议非常重要,怎么强调都不过分，所以需要扎实地学习。本文参考《计算机网络》和互联网上的相关资料，想以简单明了的方式来阐明一些 tcp 相关内容，行文尽量简单。
一 TCP 协议特点
TCP，全称传输控制协议（transmission Control Protocol）是位于传输层的重要协议，它最要的特点：
面向连接 ,可靠，面向字节流。
可靠： TCP 协议通过序号和确认序号，来保证即使在网络很差的环境，仍然可提供可靠传输。
面向连接： TCP 协议是一对一的协议，每个连接用源 ip，源端口，目的 ip，目的端口四元组来确认一个连接，通过 socket，以及序号，窗口信息这些状态信息来表示连接。
面向字节流: TCP 传输的是字节流，不是数据包，客户端发送 2 个 512 字节的数据块，在服务器端的应用层上，收到可能是 2 个 512 字节的数据块，也可能是 1024 字节的数据库，还可能是 4 个 128 字节的数据块。
TCP 协议报文组成如下图：
TCP报文组成
序列号： 每次连接随机生成，用来标识报文的顺序，防止乱序；TCP 服务器端会对收到的 TCP 报文进行重组。
确认序列号： 用来确认收到的数据，制定下一个期待的字节，而不是收到的最后一个字节，它是累计确认，不会超过丢失的数据。
首部长度： 表示 TCP 头部包含多少个 32 位字节，TCP 头部有 20 个固定字节，还包含可选的头部，这个长度是可变的，所以用这个头部长度来区分下。
控制位：
FIN: 用来释放连接，表示发送方不在发送数据了。
SYN：请求连接报文标识，用序列号字段的值来标识初始的序列号设定。
RST：TCP 连接中异常，重置终止。
ACK： 标识确认序列号字段有效，除 SYN 包外，几乎所有的报文 ACK 都是 1.
ECE 和 CWR： 用于拥塞控制的时候，当接受端收到网络的拥塞控制指示后，通过设置 ECE 来通知另一端要放慢发送速率；TCP 一端通过设置 CWR 来通知另一端来告诉对方已经放慢速率，不用再进行 ECN-echo 通知（显示的拥塞控制通知）。
窗口大小：
16 个字节，流量控制，发送端可以发送的最大字节数而不用确认，16 个字节位 64KB，在延迟比较大的网络，效率很低，在可选字段可以在 TCP 双方协商尺度因子，从而扩大窗口，最大可以支持的窗口位数位 30 位。
选项：
额外用途，比如指定每台主机可以支持的 MSS（最大段长度），还有上文说的，窗口尺寸因子；TCP 的时间戳选项，这个主要防止序列号过大之后，循环利用，从而导致的序号回绕问题。还有一个叫 SACK 选择确认，让对端可以了解接受端的接受报文情况，因为中间可能漏掉一个报文，如果对端将确认号后面报文都重发，就浪费了。
二 TCP 连接
三次握手
上图就是著名的三次握手,如果每步骤的报文丢失有什么影响,另外我们对此如何优化?
2.1 SYN 包重传
SYN 包是客户端发起三次握手的时候第一包,如果包丢失了,客户端会进行重复,重发的次数由内核的参数:
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_syn_retries
或
sysctl -a|grep "net.ipv4.tcp_syn_retries"
默认值为 6,表示如果没有收到响应,会重发 6 次,6 次发送也是有讲究的，是每次超时后重发,每次的超时时间不同.
- 第一次 1s 超时后重发
- 第二次 3s 超时后重发
- 第三次 7s 超时后重发
- 第四次 15s 超时后重发
- 第五次 31s 后重发
- 第六次 63s 后重发
每次超时时间是指数级增加的超时时间为:2s, 4s,8s,16s,32s,64s,最后一次会等待 64s,所以一共等待的时间为: 1+2+4+8+16+32+64 = 127s 也就是 2 分钟多.
测试下：
1） 在主机上通过 telnet 命令去访问不存在的主机端口。
2） 通过 tcpdump 抓包看下重发的情况。
tcpdump -i eth0 -nn 'host 10.22.19.206' -w test.pcap
-
wireshark 打开观察 SYN 包重发情况。
丢包情况
优化: 对于内网通讯,或有明确任务的情况下,我们可以减少重试次数,快速失败,让错误快速暴露出来.
可以通过
sysctl -w net.ipv4.tcp_syncookies=1
sysctl -p
或者永久修改
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.tcp_syncookies=1
sysctl -p
后面修改的方法都是类似的,不再赘述。
2.2 服务器端收到 SYN 报文后
如果服务器端正常的，可以收到 SYN 报文后，会如上面三次握手的示意图，回复 SYN+ACK,同时服务器端状态变成：SYN_RCVD 状态,当收到客户端 ACK 确认包后，会将连接从半连接队列中移除，放入到 accept 队列中去，等待应用层函数调用 accept 函数来把连接取出来。
由于三次握手并没有结束，所以服务器端有个队列存放这种未完成握手的连接，这个就是半连接队列。
此图来自极客时间<系统性能调优必知必会>
这里面有个安全问题，就是 SYN 泛洪攻击，攻击者生成大量客户端 IP，给服务器端发起 SYN 连接，由于客户端的 IP 等信息是伪造的，服务器在收到 SYN 报文后，再发送 SYN+ACK,而由于客户端 IP 和端口都是伪造的，所以造成客户端一直没有回复，造成服务器端一直重发 SYN+ACK 报文，而且这未完全建立的连接会占用半连接队列，队列满了之后，服务器端就无法再接收到任何真正的请求了（如果没有开启 tcp_syncookies）。
开启 tcp_syncookies 可以对 SYN 泛洪攻击，有一定防护作用，设置：
sysctl -a |grep "net.ipv4.tcp_syncookies"
net.ipv4.tcp_syncookies = 1
值为 1 的时候，SYN 半队列放不下的时候，启用 syncookies； 2 标识无条件启用 syncookies；0 标识不启用。
sysctl -a |grep "net.ipv4.tcp_max_syn_backlog "
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 1024
我们可以通过命令查看半连接的队列默认大小为 1024。这个值并不是完全确定了半连接队列的最大值。
实际半连接最大值计算规则如下：
如果 tcp_max_syn_backlog > min(somaxconn,backlog) 即半连接队列最大值大于全连接队列最大值情况下，半连接最大值= min(somaxconn,backlog) *2.
如果 tcp_max_syn_backlog <= min(somaxconn,backlog) 半连接最大值设置为 tcp_max_syn_backlog *2
这个值我们可以在确定连接比较多的情况下扩大些，可以通过以下命令查看因半连接队列满而造成的报文丢失个数：
netstat -s | grep "SYNs to LISTEN"
28810 SYNs to LISTEN sockets dropped
现在的全连接队列的个数可以通过 ss 命令查看，如下：
LISTEN
注意在 LISTEN：
Recv-Q 表示是当前全连接的大小即等待被 accpet 的连接；
Send-Q 是最大的全连接队列大小。
在非 LISTEN 状态上，Recv-Q 表示已经收到，但未被应用读取的字节数； Send-Q 表示已经发送但是没被对方确认的字节数，在网络有问题的时候，很有帮助。
非LISTEN
同样，我们可以通过netstat -s命令来查看，因全连接队列满了之后，造成的丢包现象：
netstat -s |grep overflowed
28241 times the listen queue of a socket overflowed
全队列满了之后，除了丢包，还可以发 RST 包给客户端，可以通过内核参数来配置：
sysctl -a |grep "net.ipv4.tcp_abort_on_overflow"
net.ipv4.tcp_abort_on_overflow = 0
tcp_abort_on_overflow值为 0，则服务器端在队列满了之后，直接丢到客户端的 ACK 报文。
如果设置为 1，则服务器端在全连接队列满了之后，发送 RST 报文给客户端。
设置为 0 ，可以提高连接的成功率，以为客户端可能以为 ACK 报文丢失，就重发，而重发后，如果服务器端的全连接队列空下来了，还可以正常建立连接。
如果服务器端一直很忙的话，可以设置为 1，则客户端收到“connect reset by peer”的提示，这个提示是多么的眼熟啊！
全队列的大小除了我们在服务器端代码的 listen 进行监听时，设置 backlog，还受到系统的阀值限制（取两者的最小值）即：
sysctl -a |grep "net.core.somaxconn"
net.core.somaxconn = 1024
如果看上面的因全连接队列满造成的丢失数量越来越多，可以调大此值。
2.3 syncookies 原理
syncookies示意图
- 当开启 syncookies 后，半连接队列满了，并不直接 drop 报文，而是根据客户端连接信息计算出一个 cookie 值，在给对方回复的 SYN+ACK 报文中一并带着。
- 客户端再次 ACK 回复服务器端的时候，会带着这个 cookie 信息，服务器端进行相关校验，如果校验通过，连接直接放入到全连接队列中。
除了开启 cookie 功能外，防护 SYN 攻击还需要：
- 增大半连接队列长度，这个可以缓冲下攻击。
增大半连接队列长度，需要同时增大全连接队列长度才可以生效：
# 半连接数
echo 2048 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog
#全连接内核控制参数
echo 2048 > /proc/sys/net/core/somaxconn
#全连接程序控制参数
backlog
- 开启 syncookies 上面有讲到
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_syncookies
- 减少 SYN+ACK 重传次数
因为 SYN 攻击的时候，客户端的 IP 和端口是伪造的，服务器端收不到 ACK 报文的时候，会一直重发 SYN+ACK 报文，重发的次数由：
sysctl -a |grep "net.ipv4.tcp_synack_retries "
net.ipv4.tcp_synack_retries = 2
阿里云主机上默认是 2 次，一般 linux 上默认为 5 次，与客户端发送的 SYN 类似，会按照指数级递增超时时间，重试会经历 1，2，4，8，16 s 最后一次等待 32s 后超时，所以总共超时时间为 63s，如果配置为 2，则为 7s 超时，减少服务器端的重试次数。
2.4 如果 ACK 报文丢失
上文中，如果 SYN 报文丢失，默认重发 6 次，则 127 秒后显示超时，如果三次握手的第二个报文，即 SYN+ACK 报文丢失，则默认重发是 5 次，总共需要等待的时间为 63 秒显示超时。
那么如果三次握手中，客户端发送的 ACK 报文丢失后会发生什么？
-
首先服务器端收到了 SYN 报文处于 SYN_RECV 阶段，且发送 SYN+ACK 报文给客户端，没有收到对方的 ACK 报文，认为报文丢失，则按照 tcp_synack_retries 的配置重试，默认在 63 秒后显示超时。
-
对于客户端来说，客户端收到 SYN+ACK 报文后，回给服务器 ACK 报文，进入到 ESTABLISHED 状态，客户端认为自己已经建立了连接，所以可以发送数据给服务器端，但是服务器端连接并没有真正建立起来，所以客户端一直没有收到 ACK 报文，就重发，重发的次数默认为 15 次。
sysctl -a |grep "tcp_retries2"
net.ipv4.tcp_retries2 = 15
如果客户端一直没有发送数据，那么什么时候可以发现这个连接其实是有问题的那。可以在 linux 内核中设置 tcp 保活机制，意思就是在 tcp 连接一段时间内没发送报文后，内核自动发送保活报文，如果连接有问题，保活报文同样会重发，重发一定次数后，会中断此连接。
net.ipv4.tcp_keepalive_time=7200
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl=75
net.ipv4.tcp_keepalive_probes=9
上面是保活相关配置，含义是如果 tcp 连接在 7200 秒的时间，没有发送任何数据，则会触发保活机制，进行探测保活。
如果没有收到响应会在 75 秒后重新发送，一共发送 9 次。
所以总共发现需要的时间为：
7200+ （75*9)= 7875 秒
即 2 小时 11 分 15 秒才可以发现连接不可用。
2.5 Fast open
在 http 等协议中，发出第一次 GET 请求，到收到第一次请求数据回复，需要 2.5RTT，如果最后一次 ACK 带数据请求的话，也需要 2RTT，这样会影响 HTTP 等协议的性能。
如果 HTTP 是短连接的，每次请求都要先经历三次握手，则消耗很长不必要的时间，如下图：
图来自互联网
Linux 的 3.7 内核以后，支持 TCP fast open 功能，可以减少 tcp 连接的时延。
图来自互联网
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在第一次连接时候，服务器端在第二次握手时候产生一个 cookie，数据已经加密，并通过 SYN+ACK 包一起发送给客户端，由于客户端就缓存这个 cookie，第一次 HTTP GET 请求时延为 2RTT。
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下次请求的时候，客户端 SYN 包会带上 Cookie 发送给服务器端，就可以跳过三次握手，服务器端从 cookie 中获取到必要的信息。
sysctl -a |grep "net.ipv4.tcp_fastopen"
net.ipv4.tcp_fastopen = 0
tcp_fastopen 设置按照比特来设置。
为 0 时候表示不开启
Fast open；
为 1 时候，表示作为客户端开启Fast open；
为 2 时候表示服务端开启Fastopen;
为 3 的时候，表示客户端和服务器端都开启 Fast open 功能。
三 诗词欣赏
《水调歌头·重上井冈山》
[ 现代 ] 毛泽东
久有凌云志，重上井冈山。
千里来寻故地，旧貌变新颜。
到处莺歌燕舞，更有潺潺流水，高路入云端。
过了黄洋界，险处不须看。
风雷动，旌旗奋，是人寰。
三十八年过去，弹指一挥间。
可上九天揽月，可下五洋捉鳖，谈笑凯歌还。
世上无难事，只要肯登攀。
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