互聯(lián)網(wǎng)是人類歷史上最偉大的發(fā)明創(chuàng)造之一，而構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的核心在于TCP/IP協(xié)議。那么TCP/IP是如何工作的呢，我們先從數(shù)據(jù)包開始講起。

1、數(shù)據(jù)包

一、HTTP請求和響應步驟

http請求全過程

請求

響應

以上完整表示了HTTP請求和響應的7個步驟，下面從TCP/IP協(xié)議模型的角度來理解HTTP請求和響應如何傳遞的。

2、TCP/IP概述

我們以RFC 1180中的圖作為參考

上圖展示了四層TCP/IP協(xié)議圖，其中network applications是應用程序，屬于應用層；TCP和UDP主要是傳輸數(shù)據(jù)，屬于傳輸層，TCP確保端對端的可靠傳輸并盡量確保網(wǎng)絡健康運行，而UDP是簡單不可靠傳輸；IP主要解決路由問題，屬于網(wǎng)絡層；ARP是網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換，主要用來轉(zhuǎn)換IP地址和MAC地址，介于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層之間，可以看成2.5層；ENET在這里是數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)卡驅(qū)動屬于這一層，主要做具體的介質(zhì)傳輸，前面示例中的廣告請求抓包就是在數(shù)據(jù)鏈路層抓取。

值得注意的是，ARP在linux系統(tǒng)里屬于網(wǎng)絡層，而在RFC里是介于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層之間。在《TCP/IP詳解》一書里，ARP被放到了數(shù)據(jù)鏈路層。當解決實際問題的時候，我們應該把ARP放到網(wǎng)絡層。

上圖給出使用TCPCopy在不同層發(fā)包的使用方法。如果TCPCopy從數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)包，由于沒有享受到ARP服務，用戶需要在使用TCPCopy的時候額外加上MAC地址；而如果TCPCopy從IP層發(fā)包，則無需指定MAC地址。

本課程主要講述TCP相關(guān)案例，沒有特殊說明的話，TCP特指傳輸層的TCP。

3、什么是TCP

TCP即傳輸控制協(xié)議，是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的通信協(xié)議。TCP的主要工作是定義端口標識應用程序的身份，實現(xiàn)端對端的可靠通信，并進行擁塞控制，防止互聯(lián)網(wǎng)崩塌。

TCP有如下關(guān)鍵特性：

由于TCP是面向連接的協(xié)議，所以是一種有狀態(tài)的協(xié)議，而有狀態(tài)的協(xié)議往往比較復雜，因此TCP學習起來也比較困難。

通過狀態(tài)圖來查看一下TCP狀態(tài)的復雜性：

上圖展示了錯綜復雜的TCP狀態(tài)圖，然而現(xiàn)實更加復雜。

現(xiàn)實中的TCP狀態(tài)圖其實是這樣的：

圖中，不僅SYN_RCVD狀態(tài)能夠收到reset數(shù)據(jù)包（圖中RST，reset數(shù)據(jù)包是重置連接的數(shù)據(jù)包，可以使TCP狀態(tài)瞬間變?yōu)镃LOSED狀態(tài)，而CLOSED狀態(tài)是無法追蹤的），而且FIN_WAIT1、FIN_WAIT2、ESTABLISHED、SYN_SENT和CLOSE_WAIT都能被reset數(shù)據(jù)包打回到CLOSED狀態(tài)。不僅如此，TCP狀態(tài)還受到超時的影響。例如Linux系統(tǒng)，一旦連接處于FIN_WAIT_2，在60秒內(nèi)（默認）如果沒有接收到對端的FIN數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)會把此連接狀態(tài)FIN_WAIT_2直接變到CLOSED狀態(tài)。雖然Linux這樣做是為了防止攻擊，但這種超時就干掉連接狀態(tài)的做法，很可能誤殺了很多正常連接，從而使問題更加捉摸不定。

在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，很多詭異的問題跟TCP狀態(tài)有關(guān)系，課程后續(xù)會有較多案例來講述這些靈異問題。

4、端口

當我們?nèi)ミB接服務器程序時，需要指明服務器端口。為什么需要端口呢？因為系統(tǒng)是通過端口來區(qū)分不同應用程序，TCP通過端口找到上層應用。

需要注意的是，端口號是有限的，端口號大為65535，能夠利用的端口數(shù)量隨配置而定。例如在壓力測試過程中，一臺機器可以利用的TCP端口是有限的，能夠利用的連接（客戶端端口，客戶端IP，服務器應用端口，服務器IP地址）是有限的。為了解決這個問題，可以配置多IP地址來擴大可用連接數(shù)量。系統(tǒng)支持同一個端口，不同的IP地址來綁定不同的應用。Linux高版本系統(tǒng)下，在綁定同一個IP地址的情況下，我們還可以利用REUSEPORT機制使不同應用程序共享同一個監(jiān)聽端口，這對高性能服務器開發(fā)是非常有用的。我們開發(fā)的數(shù)據(jù)庫中間件cetus就利用這個機制來解決短鏈接風暴的問題。

5、IP

網(wǎng)絡層的主要工作是定義網(wǎng)絡地址，區(qū)分網(wǎng)段，子網(wǎng)內(nèi)MAC尋址，對不同子網(wǎng)的數(shù)據(jù)包進行路由。IP的主要作用就是在復雜的網(wǎng)絡環(huán)境中將數(shù)據(jù)包發(fā)給最終的目標地址。

IP是面向無連接的，是無狀態(tài)的協(xié)議。IP為什么被設計成無狀態(tài)呢？

1. 無狀態(tài)協(xié)議處理簡單

2. 通信之前無需建立連接

3. TCP已經(jīng)面向連接服務了，IP層可以委托TCP來解決面向連接的問題

4. 由于不帶有狀態(tài)，互聯(lián)網(wǎng)路由起來更加自由，容錯性也更強

值得注意的是，現(xiàn)實中的IP層往往都帶有安全過濾，甚至有些路由器，防火墻等中途設備還會干涉應用（例如通過reset數(shù)據(jù)包來干涉TCP會話），為了更好的做安全檢測，IP層還增加了connection tracking，在無狀態(tài)協(xié)議上面來追蹤上層連接。這種方式提高了安全性，但有時也會帶來新的問題，我們后面有案例具體講述connnection tracking帶來的坑的故事。

6、TCP Socket

應用程序通過TCP socket接口來調(diào)用TCP服務，從而達到傳遞數(shù)據(jù)的目的。每一個TCP socket會被綁定到一個端口，TCP socket雙向都可以通信，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，還可以接收數(shù)據(jù)。

值得注意的是，應用程序發(fā)送完數(shù)據(jù)，只代表通過TCP socket委托給TCP的工作已經(jīng)完成，不代表發(fā)送給對端完畢，應用發(fā)送數(shù)據(jù)和TCP傳輸數(shù)據(jù)不是同步的。

7、How TCP/IP Works

當用戶通過TCP socket接口發(fā)送請求后，TCP協(xié)議模塊接管了請求傳遞，TCP先把請求拆分成一個個更小的數(shù)據(jù)分段（假設TCP offload沒有開啟的情況下），通過IP層發(fā)送出去。在IP層，這些數(shù)據(jù)分段會被封裝成IP數(shù)據(jù)包，通過數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送給互聯(lián)網(wǎng)（見下圖）。這些數(shù)據(jù)包經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)的多個路由器到達目的地。由于IP網(wǎng)絡是無狀態(tài)的協(xié)議，每一個數(shù)據(jù)包走的路徑可能不一樣，而且到達的順序也有可能不一樣，這就要求對端的TCP需要重新組裝數(shù)據(jù)包，以確保向應用層傳遞的數(shù)據(jù)是用戶能夠識別的用戶請求，這樣服務器應用程序就可以處理用戶發(fā)起的請求了。

下圖中，假設用戶請求拆分成兩個IP數(shù)據(jù)包

第一個IP數(shù)據(jù)包可能經(jīng)過A，B，C，G，如下圖。

第二個數(shù)據(jù)包可能經(jīng)過A，B，E，G（在B點選擇了E節(jié)點，導致路徑不同），如下圖。

導致數(shù)據(jù)包在B節(jié)點走向不同路徑的原因可能有很多種，例如C節(jié)點暫時不如E節(jié)點通暢或者臨時發(fā)生了網(wǎng)絡擁塞，這與在高速道路駕駛的原理差不多。

由于網(wǎng)絡環(huán)境多變，還可能第二個數(shù)據(jù)包先到達服務器，這時TCP會負責處理out of order的情況；如果網(wǎng)絡傳遞過程中，某一個路由器由于過于繁忙，把第一個數(shù)據(jù)包丟了，那么客戶端的TCP會負責重傳第一個數(shù)據(jù)包，確保服務器端的TCP能夠不會因為丟包而收不到第一個數(shù)據(jù)包。

如果用戶請求內(nèi)容很大，如上傳一個大文件，就會被拆分成大量數(shù)據(jù)分段，而TCP傳輸這些數(shù)據(jù)分段的時候，往往還會考慮整個互聯(lián)網(wǎng)能夠接收的程度和對方能夠接收的程度，發(fā)送數(shù)據(jù)過于貪婪不僅會連累整個互聯(lián)網(wǎng)，對方也未必能夠接收得了，而且還可能使自己速度更慢，這有點像道路駕駛一樣，不能過于自私，遵守一定的交通規(guī)則才能使道路通暢。在互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)方面，這些交通規(guī)則算法就是赫赫有名的網(wǎng)絡擁塞控制算法，而對方能否接收得了，則通過發(fā)送窗口的方式進行控制。總體來說，一次發(fā)送數(shù)據(jù)的大小是根據(jù)對方的接收窗口大小和擁塞控制算法來綜合決定的。

從上面可以看出，IP負責在互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，而TCP負責數(shù)據(jù)傳輸可靠并且盡量使網(wǎng)絡健康運行，兩者合作完成了請求的傳遞，這也是互聯(lián)網(wǎng)應用工作的普遍方式。

需要注意的是，TCP負責跟TCP進行交互，應用層無需去實現(xiàn)TCP的功能，只需要委托給TCP來完成數(shù)據(jù)傳輸，這種隔離的方式給應用層的開發(fā)/運維/測試帶來了方便，另外，當出現(xiàn)TCP相關(guān)問題時，解決問題的難度也大大增加。

8、TCP經(jīng)驗知識

在多年實戰(zhàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)以下TCP經(jīng)驗對工作很有幫助?？偨Y(jié)如下：

1. 距離越遠，延遲越大，重傳概率越大

2. 網(wǎng)絡狀況好壞，直接影響應用程序性能

3. 不同環(huán)境，采用不同的擁塞算法

4. 擁塞控制算法是互聯(lián)網(wǎng)的精華，是互聯(lián)網(wǎng)大獲成功的關(guān)鍵因素之一

5. TCP是有狀態(tài)協(xié)議，采用異步處理

6. 抓包分析是找到TCP相關(guān)問題根本原因的利器

7. TCP客戶端和TCP服務器端之間的交互，是應用層所有應用公共的交互部分，理解了這部分原理，可以解決大量TCP相關(guān)問題。

9、IP經(jīng)驗知識

在IP經(jīng)驗知識方面，我們大致總結(jié)如下：

1. 數(shù)據(jù)包選擇路徑不是固定的，到達的順序也可能是亂序的

2. 安全過濾，坑多的地方

3. 無狀態(tài)協(xié)議，簡化互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，是互聯(lián)網(wǎng)大獲成功的關(guān)鍵因素之一

4. IP層對TCP傳遞過來的數(shù)據(jù)包很少分片處理

5. 中途設備不僅僅具備路由功能，而且還會干涉TCP會話（靈異問題的溫床）

10、結(jié)束語

TCP/IP網(wǎng)絡是互聯(lián)網(wǎng)的基石，了解TCP/IP是如何工作的，對于我們解決問題是非常有幫助的。

文章名稱：TCP/IP是如何工作的
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