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LWIP学习笔记（9）TCP协议

TCP这部分太复杂，我只概要的学习总结下（也是只能这样，毕竟能力有限~~）

一下文件包含全部tcp协议的实现

tcp.c

包含同tcp编程、tcp定时器相关函数实现

tcp.h

包含与tcp编程接口相关的控制块、控制块操作函数定义

tcp_in.c

包含tcp报文段输入处理相关函数

tcp_out.c

包含tcp报文段输出处理相关函数

tcp_impl.h

包含所有tcp内核实现需要的宏、结构体、内部函数的定义

tcp报文首部数据结构

在

tcp_impl.h

中定义

LWIP学习笔记（9）TCP协议

tcp的11种状态

在

tcp.h

中枚举了这11种状态

LWIP学习笔记（9）TCP协议

tcp控制块

tcp控制块有2类，一类是用来描述listen状态的的连接

tcp_pcb_listen

,另外一种是

tcp_pcb

,描述其他连接状态

tcp_pcb

 
/* the TCP protocol control block */
struct tcp_pcb {
/** common PCB members */
  IP_PCB;//宏，在ip.h中定义，包含源目ip字段
/** protocol specific PCB members */
  TCP_PCB_COMMON(struct tcp_pcb);//宏，tcp_pcb和tcp_pcb_listen共有字段

  /* ports are in host byte order */
  u16_t remote_port;//远端port
  
  u8_t flags;//控制块状态、标志字段
#define TF_ACK_DELAY   ((u8_t)0x01U)   /* Delayed ACK. *///延迟发送ack(延迟确认)
#define TF_ACK_NOW     ((u8_t)0x02U)   /* Immediate ACK. *///立即发送ack
#define TF_INFR        ((u8_t)0x04U)   /* In fast recovery. *///连接处于快速重传状态
#define TF_TIMESTAMP   ((u8_t)0x08U)   /* Timestamp option enabled *///连接时间戳选项已使能
#define TF_RXCLOSED    ((u8_t)0x10U)   /* rx closed by tcp_shutdown *///
#define TF_FIN         ((u8_t)0x20U)   /* Connection was closed locally (FIN segment enqueued). *///连接已关闭
#define TF_NODELAY     ((u8_t)0x40U)   /* Disable Nagle algorithm *///禁止nagle算法
#define TF_NAGLEMEMERR ((u8_t)0x80U)   /* nagle enabled, memerr, try to output to prevent delayed ACK to happen *///本地缓冲区溢出

  /* the rest of the fields are in host byte order
     as we have to do some math with them */

  /* Timers *///
  u8_t polltmr, pollinterval;//这2个字段用于周期性调用一个函数,polltmr周期增加,当超过pollinterval，poll函数被调用
  u8_t last_timer;//控制块最近一次被定时器处理时间
  u32_t tmr;//系统时间

  /* receiver variables *///接收窗口相关字段
  u32_t rcv_nxt;   /* next seqno expected *///下一个期望接受的序列号
  u16_t rcv_wnd;   /* receiver window available *///当前接受窗口大小
  u16_t rcv_ann_wnd; /* receiver window to announce *///将向对方通告窗口大小
  u32_t rcv_ann_right_edge; /* announced right edge of window *///上次一通告时窗口右边界值

  /* Retransmission timer. */
  s16_t rtime;//重传定时器，随时间增加，当大于rto时重传报文

  u16_t mss;   /* maximum segment size *///对方可接收最大报文段

  /* RTT (round trip time) estimation variables *///RTT估算相关字段
  u32_t rttest; /* RTT estimate in 500ms ticks *///RTT估计时，已500ms为周期递增
  u32_t rtseq;  /* sequence number being timed *///用于测试RTT的报文序号
  s16_t sa, sv; /* @todo document this *///RTT估计的平均值和时间差

  s16_t rto;    /* retransmission time-out *///重发超时时间，由上面计算得到
  u8_t nrtx;    /* number of retransmissions *///重发次数，多次重发时，使用该字段设置rto

  /* fast retransmit/recovery *///快速重传快速恢复字段
  u8_t dupacks;//lastack重复收到次数
  u32_t lastack; /* Highest acknowledged seqno. *///接受到最大确认号

  /* congestion avoidance/control variables *///拥塞控制字段
  u16_t cwnd;//当前连接拥塞窗口大小
  u16_t ssthresh;//拥塞避免算法启动阈值

  /* sender variables *///发送窗口字段
  u32_t snd_nxt;   /* next new seqno to be sent *///下一个将要发生序列号
  u32_t snd_wl1, snd_wl2; /* Sequence and acknowledgement numbers of last
                             window update. *///上次窗口更新时收到数据序号和确认号
  u32_t snd_lbb;       /* Sequence number of next byte to be buffered. *///下一个被缓存的应用数据编号
  u16_t snd_wnd;   /* sender window *///发送窗口大小
  u16_t snd_wnd_max; /* the maximum sender window announced by the remote host *///对端通告的最大接收窗口

  u16_t acked;//上次成功发送的字节数

  u16_t snd_buf;   /* Available buffer space for sending (in bytes). *///可用发送缓冲区大小
#define TCP_SNDQUEUELEN_OVERFLOW (0xffffU-3)//次宏用于缓冲区溢出检查
  u16_t snd_queuelen; /* Available buffer space for sending (in tcp_segs). *///缓冲数据已占用pbuf个数

#if TCP_OVERSIZE
  /* Extra bytes available at the end of the last pbuf in unsent. */
  u16_t unsent_oversize;
#endif /* TCP_OVERSIZE */ 

  /* These are ordered by sequence number: */
  struct tcp_seg *unsent;   /* Unsent (queued) segments. *///未发生报文段队列
  struct tcp_seg *unacked;  /* Sent but unacknowledged segments. *///发送了但未收到确认报文段队列
#if TCP_QUEUE_OOSEQ  
  struct tcp_seg *ooseq;    /* Received out of sequence segments. *///收到的无序报文段队列
#endif /* TCP_QUEUE_OOSEQ */
                             //上一次成功接收但未被应用层取用的数据pbuf
  struct pbuf *refused_data; /* Data previously received but not yet taken by upper layer */

#if LWIP_CALLBACK_API
  /* Function to be called when more send buffer space is available. */
  tcp_sent_fn sent;//当数据被成功发送后调用
  /* Function to be called when (in-sequence) data has arrived. */
  tcp_recv_fn recv;//接收到数据后调用
  /* Function to be called when a connection has been set up. */
  tcp_connected_fn connected;//建立连接后调用
  /* Function which is called periodically. */
  tcp_poll_fn poll;//该函数被内核周期性调用
  /* Function to be called whenever a fatal error occurs. */
  tcp_err_fn errf;//连接发生错误时调用
#endif /* LWIP_CALLBACK_API */

#if LWIP_TCP_TIMESTAMPS
  u32_t ts_lastacksent;
  u32_t ts_recent;
#endif /* LWIP_TCP_TIMESTAMPS */

  /* idle time before KEEPALIVE is sent */
  u32_t keep_idle;//保活计时器上限值
#if LWIP_TCP_KEEPALIVE
  u32_t keep_intvl;
  u32_t keep_cnt;
#endif /* LWIP_TCP_KEEPALIVE */
  
  /* Persist timer counter */
  u8_t persist_cnt;//坚持定时器计数值
  /* Persist timer back-off */
  u8_t persist_backoff;//坚持定时器探测报文发送数目

  /* KEEPALIVE counter */
  u8_t keep_cnt_sent;//保活报文发送次数
}

tcp_pcb_listen

 
struct tcp_pcb_listen {  
/* Common members of all PCB types */
  IP_PCB;
/* Protocol specific PCB members */
  TCP_PCB_COMMON(struct tcp_pcb_listen);
};
           
/**
 * members common to struct tcp_pcb and struct tcp_listen_pcb
 */
#define TCP_PCB_COMMON(type) \
  type *next; /* for the linked list */ \
  void *callback_arg; \//指向用户自定义数据，回调时使用
  /* the accept callback for listen- and normal pcbs, if LWIP_CALLBACK_API */ \
  DEF_ACCEPT_CALLBACK \//accept回调函数，处于listen的pcb侦听到连接accept被调用
  enum tcp_state state; /* TCP state */ \//连接状态
  u8_t prio; \//优先级，可用于回收低优先级控制块
  /* ports are in host byte order */ \
  u16_t local_port//本地端口

控制块链表

tcp用4条链表来链接处于不同状态下的控制块，方便查找

tcp.c

中

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TCP编程函数

新建控制块

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通过调用

tcp_alloc

为连接分配一个tcp控制块tcp_pcb，

tcp_alloc

内部是从内存池获取内存分配，若不够则会释放处于TIME-WAIT状态控制块或者比他优先级地的控制块（所以有个

TCP_PRIO_NORMAL

优先级字段），最后初始化tcp_pcb各个字段

绑定控制块

一般是服务器会主动调用

tcp_bind

,将本地ip和port设置到控制块的local_ip和local_port字段(前提是这个端点没有被其他控制块绑定过，所以需要遍历前面说的4种tcp链表)，最后把绑定的控制块插入到

tcp_bound_pcbs

链表首部

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侦听控制块

服务端调用

tcp_listen

使控制块进入LISTEN状态,所做的事是把控制块从

tcp_bound_pcbs

链表取下来，把state字段设置为LISTEN,最后把此控制块挂在

tcp_listen_pcbs

链表上，其中接收client连接的默认回调函数accept在这里设置

LWIP学习笔记（9）TCP协议
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注意，listen后server就等待client发送SYN，当收到SYN后，server就遍历

tcp_listen_pcbs

链表，匹配目的ip、port的控制块，若找到匹配的就会新建tcp_pcb结构把他加到

tcp_active_pcbs

中，这个tcp_pcb的state是SYN_RCVD，但是

tcp_listen_pcbs

链表中的tcp_listen_pcb会一直存在不会被删，以等待其他client连接。

控制块连接

client需要主动执行打开操作就想server发送SYN报文，通过

tcp_connect

实现，该函数会包控制块从

tcp_bound_pcbs

链表取下来搬到

tcp_active_pcbs

，同时控制块state设置为SYN_SENT，初始化发送、接收窗口字段最后用tcp_enqueue组装握手报文，用tcp_output发送出去

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关闭连接

任意时刻都可以调用tcp_close关闭一个tcp连接，因为该函数会根据控制块的不同状态做相应处理，释放相关资源，发送相关报文

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还有其他几个相关函数，如下表

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TCP缓冲队列

对于tcp数据输出输入缓冲，控制块是使用缓冲队列指针来管理数据，这样目的是节省内存，并专门定义tcp_seg数据结构将数据报文连接起来

缓冲队列指针是如下3种，（tcp控制块中有定义）

/* These are ordered by sequence number: */
  struct tcp_seg *unsent;   /* Unsent (queued) segments. *///未发生报文段队列
  struct tcp_seg *unacked;  /* Sent but unacknowledged segments. *///发送了但未收到确认报文段队列
  struct tcp_seg *ooseq;    /* Received out of sequence segments. *///收到的无序报文段队列

tcp_impl.h

中

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TCP输出

组织报文段

  • tcp发送报文会先判断待发送数据长度len是否小于缓冲区pcb->snd_buf,若缓冲区不够则不会进行处理
  • 再判断pcb->snd_queuelen是否超过了控制块上允许挂接的pbuf个数上限值

    TCP_SND_QUEUELEN

     ,如果超过,也不会发送
  • 再将数据组装程tcp报文段，每个报文段用tcp_seg描述，将所有创建好的tcp_seg连接在queue队列上，queue是一个临时变量
  • 再将queue插入到

    unsent

     队列指针的最后，如果连接处相邻的2个tcp_seg包含的数据小于pcb-mss且相邻的2个段都不是FIN、SYN，则会合并成1个报文段

  • 最后调整tcp_pcb相关字段

    发送报文段

    tcp_output

     是把控制块上

    unsent

    队列上报文段发送出去或者只发送一个ACK（当置位了TF_ACK_NOW或者发送窗口此时不允许发送数据时），

    然后把发送的报文段插入

    unacked

     队列中，以便后续重发。

    tcp_output

     里面调用

    tcp_output_segment

     ,

    tcp_output_segment

     里面调用

    ip_output

     最终发送出去

TCP输入

ip层收到数据报后

ip_input

把是tcp协议的报文交给

tcp_input

,

tcp_input

主要根据tcp报文中ip、port遍历匹配的控制块，遍历顺序如下

1.遍历

tcp_active_pcbs

，若匹配，则调用

tcp_process

处理报文,找不到则2

2.遍历

tcp_tw_pcbs

和

tcp_listen_pcbs

,找到则调用

tcp_timewait_input

和

tcp_listen_input

处理报文，若还未找到则调用

tcp_rst

向源主机发送tcp复位报文

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可靠性

  • 超时重传与RTT

    rtime

     表示重传定时器，每500ms加1，当超过

    rto

     时，发生报文重传，

    rto

     是动态估算的，

    rtseq

     表示当前正在进行往返估算的报文序列号，

    nrtx

    表示报文重传次数。

    当用

    tcp_output_segment

     把报文发出去后，会把报文放在unacked队列上，

    rttest

     记录当前时间，

    rtseq

     记录当前报文序列号，当收到对方关于

    rtseq

     的确认后，根据

    rttest

     计算出RTT，这个RTT就是估算

    rto

     公式中的

    M

    rto

     公式如下
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    M

     就是上面说的

    rttest

     计算得到，即某次测量的RTT值

    A

     表示已测得的RTT平均值，由（2）得到

    D

     是RTT估算方差

    g``h

     常数

    g=1/8``h=1/4

     初始时

    A=0

     ，

    D=6

     当重发后再次超时则会进行rto值避让，就是把rto值扩大2的tcp_backoff[pcb->nrtx]次方
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    可以看到多余6次后就不再rto避让

    最后调用

    tcp_remit_rto

     函数重传unacked上的报文段

  • 慢启动与拥塞避免

    慢起动需要维持2个变量，拥塞窗口cwnd和拥塞避免启动阈值ssthresh，对于新建的连接，初始化cwnd=1，发送放可以发送的数据量不能超过有效窗口（有效窗口时拥塞窗口和对方通告窗口的最小值），每当收到一个ack，cwnd就增加，增加的方式依赖于发送方是处于慢起动阶段还是拥塞避免阶段，慢起动阶段每收到一个ack则cwnd就+1，拥塞避免阶段每收到一个ack则cwnd增加1/cwnd，当整个窗口数据都被ack后，cwnd才只增加了1.

  • 快速重传与快速恢复

    如果发送方一连串收到3个或3个以上重复ack后，发送方就会重发丢失报文，而无须等待超时定时器溢出，这就是快速重传，当处于快速重传模式时，拥塞窗口被设置为有效窗口的一般或者更大，这同样是为了避免窗口导致减少数据流，在退出快速重传模式后，拥塞窗口不会像超市那样被设置为1，而是直接设置为ssthresh，直接进入拥塞避免阶段，这就是快速恢复

  • 糊涂窗口与避免

    糊涂窗口是tcp接受上通告了一个小窗口并且tcp发送方立即发送数据填充该窗口时，糊涂窗口就发生了。糊涂窗口会导致网络利用率降低，应为小单元报文段中ip和tcp头占用了大部分空间。

    为避免糊涂窗口从发送方和接收方任意一方都可以解决

    接收方，不通告小窗口，直到窗口增加到一个最大报文段才通告窗口

    或者采用延迟确认，延迟时间最多只能500ms

    发送方，采用推迟小报文段发送，tcp尽量把后面的数据组织成一个大报文段，比如Nagle算法

  • 零窗口探测

    当接收方传来的窗口为0时，发送方就要停止发送数据，直到接收方再次传来非0窗口，但是接收方再次传来的非0窗口有可能在传输过程中丢失，这样就无法再传输数据，所以为了防止这种死锁，发送方使用一个坚持定时器（persist timer）来周期性的向接收方查询窗口，以便发现窗口是否增大，这种报文称为窗口探测报文（window probe）

  • 保活机制

    当某连接在2小时都没有任何动作，就会发送保活报文用来检查对方是否在线，若对方正常运行，则上层不会有任何察觉，若对方重启，则对方会返回一个复位报文，结束该连接，若对方已崩溃，则对方不会有任何反应，我方还会连发9个这样的报文，每个间隔75s，如果我方还是没有收到回应，则主动断开连接

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  • tcp定时器

    lwip为每条连接建立了7个定时器

    建立定时器，是在响应SYN报文，发生SYN+ACK后开始计时，若75s内没有收到ACK，则连接终止

    重传定时器

    数据组装定时器，如果很长世间ooseq上失序报文不能被组装则被丢弃

    坚持定时器

    保活定时器

    FIN_WAIT_2定时器

    TIME_WAIT定时器，即2MSL定时器

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