动手学习TCP：4种定时器

上一篇中介绍了TCP数据传输中涉及的一些基本知识点。本文让我们看看TCP中的4种定时器。

TCP定时器

对于每个TCP连接，TCP管理4个不同的定时器，下面看看对4种定时器的简单介绍。

• 重传定时器使用于当希望收到另一端的确认。
  • 该定时器是用来决定超时和重传的。
  • 由于网络环境的易变性，该定时器时间长度肯定不是固定值；该定时器时间长度的设置依据是RTT（Round Trip Time），根据网络环境的变化，TCP会根据这些变化并相应地改变超时时间。
• 坚持定时器（persist）使窗口大小信息保持不断流动，即使另一端关闭了其接收窗口。
• 保活定时器（keepalive）可检测到一个空闲连接的另一端何时崩溃或重启。
• 2MSL定时器测量一个连接处于TIME_WAIT状态的时间。
  • 参见"动手学习TCP：TCP特殊状态"中对TIME_WAIT的介绍

下面就介绍一下坚持定时器和保活定时器。

坚持定时器

TCP通过让接收方指明希望从发送方接收的数据字节数（即窗口大小）来进行流量控制。

如果窗口大小为 0会发生什么情况呢？这将有效地阻止发送方传送数据，直到窗口变为非0为止。

但是，由于TCP不对ACK报文段进行确认（TCP只确认那些包含有数据的ACK报文段），如果上图中通知发送方窗口大于0的[ACK]丢失了，则双方就有可能因为等待对方而使连接死锁。接收方等待接收数据（因为它已经向发送方通告了一个非0的窗口），而发送方在等待允许它继续发送数据的窗口更新。

为防止这种死锁情况的发生，发送方使用一个坚持定时器 (persist timer)来周期性地向接收方查询，以便发现窗口是否已增大。这些从发送方发出的报文段称为窗口探查（window probe）。

实验代码

下面通过Python socket实现一个快的发送端和慢的接收端，然后通过Wireshark抓包来看看窗口更新通知和窗口探查。

客户端代码如下，用户输入字符，客户端将用户输入重复1000次然后发送给服务端，通过这种简单的重复来模拟一个快的发送端：

from socket import *
import time

HOST = "192.168.56.102"
PORT =
ADDR = (HOST, PORT)

client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
client.connect(ADDR)

while True:
    input = raw_input()

    if input:
        client.send(input*)
    else:
        client.close()
        break

对于服务端，通过制定一个小的接收BUFFER，以及一个延时来模拟一个慢的接收端：

import sys
from socket import *
import time

HOST = "192.168.56.102"
PORT =
BUFSIZ =
ADDR = (HOST, PORT)

server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
print "Socket created"
try:
    server.bind(ADDR)
except error, msg:
    print 'Bind failed. Error Code : ' + str(msg[]) + ' Message ' + msg[]
    sys.exit()

server.listen()
print 'Socket now listening'
conn, addr = server.accept()

while True:
    time.sleep()
    try:
        data = conn.recv(BUFSIZ)
        if data:
            print data
        else:
            conn.close()
            break
    except Exception, e:
        print e
        break

在开始运行代码之前还需要进行一些设置，默认情况下接收端的window size很大，实验中很难耗尽。

所以，为了看到实验效果，需要对系统进行一些设置。打开虚拟机中的注册表设置"regedit"，然后找到选项"HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters"，设置"TcpWindowSize"为4096Bytes。

注意，实验结束后，一定要恢复"TcpWindowSize"的原始设置，不然可能会影响正常的网络访问。

关于更多TCP相关的注册表设置，可以参考这个链接。

运行效果

下面运行代码，分别输入两个字符"a"和"b"，通过Wireshark可以看到，在进行连接确认的时候，接收端已经给出了我们跟新后的可用窗口4096Bytes。

经过第一轮发送后，接收方的window size减少了1000；当两个数据包都处理完成后，window size又恢复到了4096。

第二轮测试中，发送端发送"1234567890"十个字符，从接收端的最后一个[ACK]包可以看到，最后接收端window size为1393，此次传输到此结束。

过了一段时间，当慢接收端处理完数据之后，接收端会发送窗口更新，通知发送端可以窗口为4096Bytes。

第三轮测试中，发送端发送更多的字符"1234567890987654321"，这次接收端的可用窗口就被耗尽了，然后接收端发送一个[TCP ZeroWindow]的通知；这时，发送端停止发送，然后通过发送窗口探查。

当接收端有可用窗口的时候，接收端会发送窗口更新，数据传输继续。

注意，[TCP ZeroWindowProbe]和[TCP ZeroWindowProbeAck]的Seq和Ack号。

糊涂窗口综合症

基于窗口的流量控制方案，会导致一种"糊涂窗口综合症SWS（Silly Window Syndrome）"的状况。

当发送端应用进程产生数据很慢、或接收端应用进程处理接收缓冲区数据很慢，或二者兼而有之；就会使应用进程间传送的报文段很小，特别是有效载荷很小。 极端情况下，有效载荷可能只有1个字节；而传输开销有40字节（20字节的IP头+20字节的TCP头），加上物理帧头后，有效的数据传输比例就更小了，这就浪费了网络带宽，表现为糊涂窗口综合症。

糊涂窗口综合症可能由接收端或者发送端引起，不同的起因需要不同的解决方案，更多内容可以参考此处。

保活定时器

跟据TCP协议，当发送端和接收端都不主动释放一个TCP连接的时候，该连接将一直保持。即使一端出现了故障，由于另一端没有收到任何通知，TCP连接也会一直保持，这样就会造成TCP连接资源的浪费。

TCP keepalive

为了解决这个问题，大多数的实现中都是使服务器设置保活计时器。

保活计时器通常设置为2小时。若服务器过了2小时还没有收到客户的信息，它就发送探测报文段。若发送了10个探测报文段（每一个相隔75秒）还没有响应，就假定客户出了故障，因而就终止该连接。

在Linux系统中，有三个跟TCP keepalive相关的参数：

tcp_keepalive_intvl (integer; default: ; since Linux 2.4)
       The number of seconds between TCP keep-alive probes.

tcp_keepalive_probes (integer; default: ; since Linux 2.2)
       The  maximum  number  of  TCP  keep-alive  probes  to send before giving up and killing the connection if no
       response is obtained from the other end.

tcp_keepalive_time (integer; default: ; since Linux 2.2)
       The number of seconds a connection needs to be idle before TCP begins sending out keep-alive probes.   Keep-
       alives  are  sent only when the SO_KEEPALIVE socket option is enabled.  The default value is  seconds (
       hours).  An idle connection is terminated after approximately an additional  minutes ( probes an interval
       of  seconds apart) when keep-alive is enabled.

在Socket编程中，可以通过设置"TCP_KEEPCNT"，"TCP_KEEPIDLE"和"TCP_KEEPINTVL"选项来更改上述的三个系统参数：

from socket import *
import time

HOST = "192.168.56.102"
PORT = 8081
ADDR = (HOST, PORT)

client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)

#TCP_KEEPCNT  overwrite  tcp_keepalive_probes，默认9（次）
#TCP_KEEPIDLE overwrite  tcp_keepalive_time，默认7200（秒）
#TCP_KEEPINTVL overwrite  tcp_keepalive_intvl，默认75（秒）
client.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, 1)
client.setsockopt(SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, 5)
client.setsockopt(SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, 5)
client.setsockopt(SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, 10)
client.connect(ADDR)

while True:
    input = raw_input()

    if input:
        client.send(input*1000)
    else:
        client.close()
        break

TCP keepalive 包

下面是一段网络上抓取的TCP keepalive包，接下来看看TCP keepalive包的内容。

• 根据规范，TCP keepalive保活包不应该包含数据，但也可以包含1个无意义的字节，比如0x0。
• TCP保活探测包Seq号是将前一个TCP包的Seq号减去1。

当然，也有人认为保活定时器不合理，给出了不使用保活定时器的理由：

• 在出现短暂差错的情况下，这可能会使一个非常好的连接释放掉
• 耗费了不必要的带宽
• 在按分组计费的情况下会在互联网上花掉更多的钱

HTTP Keep-Alive

在HTTP早期 ，每个HTTP请求都要求打开一个TCP连接，并且使用一次之后就断开这个TCP连接。

这种方式会带来一些问题，尤其是包含图片，JS，CSS的复杂网页，一个完整的页面需要很多个请求才能完成，如果每一个HTTP请求都需要新建并断开一个TCP，这样就会消耗很多服务器的TCP连接资源。

为了缓解这个问题，HTTP 1.1中出现了Keep-Alive这个特性，开启HTTP Keep-Alive之后，能复用已有的TCP链接，当前一个请求已经响应完毕，服务器端没有立即关闭TCP链接，而是等待一段时间接收浏览器端可能发送过来的第二个请求，开启Keep-Alive能节省的TCP建立和关闭的消耗。

下面看看我访问一个网页后，通过Wireshark抓取的数据包。

HTTP/1.1之后默认开启Keep-Alive, 在HTTP的头域中增加Connection选项。当设置为"Connection:keep-alive"表示开启，设置为"Connection:close"表示关闭。

在上图中，服务器经过了大概2分钟的时间，然后发出关闭TCP连接的请求。

现在，基本所有的应用服务器都支持设置打开Keep-Alive，以及Keep-Alive timeout的设置。

总结

本文介绍了TCP中的4种定时器，并详细的介绍了坚持定时器和保活定时器。

在保活定时器的介绍中，对比介绍了HTTP的Keep-Alive特性。HTTP协议的Keep-Alive意图在于连接复用；TCP的keepalive机制在于保活、心跳，检测连接错误，两者的作用完全不同。

因为TCP keepalive不能满足实时性的要求，很多应用程序会在应用层实现heart beat（心跳包）来确认TCP连接的可用性。