用了 TCP 协议，数据一定不会丢吗？

古城微笑少年丶 2023-10-01 23:11 0阅读 0赞

TCP 是一个可靠的传输协议，那它一定能保证数据不丢失吗？

这次，就跟大家探讨这个问题。

### 数据包的发送流程 ###

首先，我们两个手机的绿皮聊天软件客户端，要通信，中间会通过它们家服务器。大概长这样。

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聊天软件三端通信

但为了**简化模型**，我们把中间的服务器给省略掉，假设这是个端到端的通信。且为了保证消息的可靠性，我们盲猜它们之间用的是**TCP协议**进行通信。

![35d722838be99cfa1e9d1523e9a5efbf.png][]

聊天软件两端通信

为了发送数据包，两端首先会通过**三次握手**，建立TCP连接。

一个数据包，从聊天框里发出，消息会从**聊天软件**所在的**用户空间**拷贝到**内核空间**的**发送缓冲区（send buffer）**，数据包就这样顺着**传输层、网络层，进入到数据链路层，在这里数据包会经过流控（qdisc），再通过RingBuffer发到物理层的网卡**。数据就这样顺着**网卡**发到了**纷繁复杂**的网络世界里。这里头数据会经过n多个**路由器和交换机**之间的跳转，最后到达**目的机器的网卡**处。

此时目的机器的网卡会通知**DMA**将数据包信息放到`RingBuffer`中，再触发一个**硬中断**给`CPU`，`CPU`触发**软中断**让`ksoftirqd`去`RingBuffer`收包，于是一个数据包就这样顺着**物理层，数据链路层，网络层，传输层**，最后从内核空间拷贝到用户空间里的**聊天软件**里。

![7238373db1aceec5993b61ba6a1048e7.png][]

网络发包收包全景图

> 画了那么大一张图，只水了200字做解释，我多少是有些心痛的。

到这里，抛开一些细节，大家大概知道了一个数据包从**发送到接收**的宏观过程。

可以看到，这上面全是密密麻麻的**名词**。

整条链路下来，有不少地方可能会发生丢包。

但为了不让大家**保持蹲姿太久**影响身体健康，我这边只重点讲下几个**常见容易发生丢包的场景**。

### 建立连接时丢包 ###

TCP协议会通过**三次握手**建立连接。大概长下面这样。

![b18e89d57268ddfdb6fbe8a8c423550f.png][]

TCP三次握手

在服务端，第一次握手之后，会先建立个**半连接**，然后再发出第二次握手。这时候需要有个地方可以**暂存**这些半连接。这个地方就叫**半连接队列**。

如果之后第三次握手来了，半连接就会升级为全连接，然后暂存到另外一个叫**全连接队列**的地方，坐等程序执行`accept()`方法将其取走使用。

![f980f52024510f005037e31c2ed20800.png][]

半连接队列和全连接队列

是队列就有长度，有长度就有可能会满，如果它们**满了**，那新来的包就会被**丢弃**。

可以通过下面的方式查看是否存在这种丢包行为。

# 全连接队列溢出次数
    # netstat -s | grep overflowed
        4343 times the listen queue of a socket overflowed
    
    # 半连接队列溢出次数
    # netstat -s | grep -i "SYNs to LISTEN sockets dropped"
        109 times the listen queue of a socket overflowed

从现象来看就是连接建立失败。

![930e9cf048239e2ccb6fde2f1b623529.png][]

### 流量控制丢包 ###

应用层能发网络数据包的软件有那么多，如果所有数据不加控制一股脑冲入到网卡，网卡会吃不消，那怎么办？让数据按一定的规则排个队依次处理，也就是所谓的**qdisc**(**Q**ueueing**Disc**iplines，排队规则)，这也是我们常说的**流量控制**机制。

排队，得先有个队列，而队列有个**长度**。

我们可以通过下面的`ifconfig`命令查看到，里面涉及到的`txqueuelen`后面的数字`1000`，其实就是流控队列的长度。

当发送数据过快，流控队列长度`txqueuelen`又不够大时，就容易出现**丢包**现象。

![d5174ea0b91bb13e235d05306cbf9109.png][]

qdisc丢包

可以通过下面的`ifconfig`命令，查看TX下的dropped字段，当它大于0时，则**有可能**是发生了流控丢包。

# ifconfig eth0
    eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
            inet 172.21.66.69  netmask 255.255.240.0  broadcast 172.21.79.255
            inet6 fe80::216:3eff:fe25:269f  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
            ether 00:16:3e:25:26:9f  txqueuelen 1000  (Ethernet)
            RX packets 6962682  bytes 1119047079 (1.0 GiB)
            RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
            TX packets 9688919  bytes 2072511384 (1.9 GiB)
            TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

当遇到这种情况时，我们可以尝试修改下流控队列的长度。比如像下面这样将eth0网卡的流控队列长度从1000提升为1500.

# ifconfig eth0 txqueuelen 1500

### 网卡丢包 ###

网卡和它的驱动导致丢包的场景也比较常见，原因很多，比如**网线质量差，接触不良**。除此之外，我们来聊几个常见的场景。

#### RingBuffer过小导致丢包 ####

上面提到，在接收数据时，会将数据暂存到`RingBuffer`接收缓冲区中，然后等着内核触发软中断慢慢收走。如果这个**缓冲区过小**，而这时候发送的数据又过快，就有可能发生溢出，此时也会产生**丢包**。

![9c7a0f9de09aa58e7835babe3c8e7566.png][]

RingBuffer满了导致丢包

我们可以通过下面的命令去查看是否发生过这样的事情。

# ifconfig
    eth0:  RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0

查看上面的`overruns`指标，它记录了由于`RingBuffer`长度不足导致的溢出次数。

当然，用`ethtool`命令也能查看。

# ethtool -S eth0|grep rx_queue_0_drops

但这里需要注意的是，因为一个网卡里是可以有**多个RingBuffer**的，所以上面的`rx_queue_0_drops`里的0代表的是**第0个RingBuffer**的丢包数，对于多队列的网卡，这个0还可以改成其他数字。但我的家庭条件不允许我看其他队列的丢包数，所以上面的命令对我来说是够用了。。。

当发现有这类型丢包的时候，可以通过下面的命令查看当前网卡的配置。

#ethtool -g eth0
    Ring parameters for eth0:
    Pre-set maximums:
    RX:        4096
    RX Mini:    0
    RX Jumbo:    0
    TX:        4096
    Current hardware settings:
    RX:        1024
    RX Mini:    0
    RX Jumbo:    0
    TX:        1024

上面的输出内容，含义是**RingBuffer最大支持4096的长度，但现在实际只用了1024。**

想要修改这个长度可以执行`ethtool -G eth1 rx 4096 tx 4096`将发送和接收RingBuffer的长度都改为4096。

**RingBuffer**增大之后，可以减少因为容量小而导致的丢包情况。

#### 网卡性能不足 ####

网卡作为硬件，**传输速度是有上限的**。当网络传输速度过大，达到网卡上限时，就会发生丢包。这种情况一般常见于压测场景。

我们可以通过`ethtool`加网卡名，获得当前网卡支持的最大速度。

# ethtool eth0
    Settings for eth0:
        Speed: 10000Mb/s

可以看到，我这边用的网卡能支持的最大传输速度**speed=1000Mb/s**。

也就是俗称的千兆网卡，但注意这里的单位是**Mb**，这里的**b是指bit，而不是Byte。1Byte=8bit**。所以10000Mb/s还要除以8，也就是理论上网卡最大传输速度是`1000/8 = 125MB/s`。

我们可以通过`sar命令`从网络接口层面来分析数据包的收发情况。

# sar -n DEV 1
    Linux 3.10.0-1127.19.1.el7.x86_64      2022年07月27日     _x86_64_    (1 CPU)
    
    08时35分39秒     IFACE   rxpck/s   txpck/s    rxkB/s    txkB/s    rxcmp/s   txcmp/s  rxmcst/s
    08时35分40秒      eth0      6.06      4.04      0.35    121682.33   0.00    0.00     0.00

其中 **txkB/s是指当前每秒发送的字节（byte）总数，rxkB/s是指每秒接收的字节（byte）总数**。

当两者加起来的值约等于`12~13w字节`的时候，也就对应大概`125MB/s`的传输速度。此时达到网卡性能极限，就会开始丢包。

遇到这个问题，优先看下你的服务是不是真有这么大的**真实流量**，如果是的话可以考虑下拆分服务，或者就忍痛充钱升级下配置吧。

### 接收缓冲区丢包 ###

我们一般使用`TCP socket`进行网络编程的时候，内核都会分配一个**发送缓冲区**和一个**接收缓冲区**。

当我们想要发一个数据包，会在代码里执行`send(msg)`，这时候数据包并不是一把梭直接就走网卡飞出去的。而是将数据拷贝到内核**发送缓冲区**就完事**返回**了，至于**什么时候发数据，发多少数据**，这个后续由内核自己做决定。

![eec1e685fdb597cec17e0271a84e9a03.png][]

tcp\_sendmsg逻辑

而**接收缓冲区**作用也类似，从外部网络收到的数据包就暂存在这个地方，然后坐等用户空间的应用程序将数据包取走。

这两个缓冲区是有大小限制的，可以通过下面的命令去查看。

# 查看接收缓冲区
    # sysctl net.ipv4.tcp_rmem
    net.ipv4.tcp_rmem = 4096    87380   6291456
    
    # 查看发送缓冲区
    # sysctl net.ipv4.tcp_wmem
    net.ipv4.tcp_wmem = 4096    16384   4194304

不管是接收缓冲区还是发送缓冲区，都能看到三个数值，分别对应缓冲区的**最小值，默认值和最大值 （min、default、max）。缓冲区会在min和max之间动态调整。**

**那么问题来了，如果缓冲区设置过小会怎么样？**

对于**发送缓冲区**，执行send的时候，如果是**阻塞**调用，那就会等，等到缓冲区有空位可以发数据。

![7e54e3907bc497a47248e8034de13bd0.gif][]

send阻塞

如果是**非阻塞**调用，就会**立刻返回**一个 `EAGAIN` 错误信息，意思是 `Try again`。让应用程序下次再重试。这种情况下一般不会发生丢包。

![80b75439398cf76f242b3784634f400e.gif][]

send非阻塞

当接受缓冲区满了，事情就不一样了，它的TCP接收窗口会变为0，也就是所谓的**零窗口**，并且会通过数据包里的`win=0`，告诉发送端，"球球了，顶不住了，别发了"。一般这种情况下，发送端就该停止发消息了，但如果这时候确实还有数据发来，就会发生**丢包**。

![9f0fde689e54a904702ca8df1f77da32.png][]

recv\_buffer丢包

我们可以通过下面的命令里的`TCPRcvQDrop`查看到有没有发生过这种丢包现象。

cat /proc/net/netstat
    TcpExt: SyncookiesSent TCPRcvQDrop SyncookiesFailed
    TcpExt: 0              157              60116

但是说个伤心的事情，我们一般也看不到这个`TCPRcvQDrop`，因为这个是`5.9版本`里引入的打点，而我们的服务器用的一般是`2.x~3.x`左右版本。你可以通过下面的命令查看下你用的是什么版本的linux内核。

# cat /proc/version
    Linux version 3.10.0-1127.19.1.el7.x86_64

### 两端之间的网络丢包 ###

前面提到的是两端机器内部的网络丢包，除此之外，两端之间那么长的一条链路都属于外部网络，这中间有各种路由器和交换机还有光缆啥的，丢包也是很经常发生的。

这些丢包行为发生在中间链路的某些个机器上，我们当然是没权限去登录这些机器。但我们可以通过一些命令观察整个链路的连通情况。

#### ping命令查看丢包 ####

比如我们知道目的地的域名是 `baidu.com`。想知道你的机器到baidu服务器之间，有没有产生丢包行为。可以使用ping命令。

![f5980f6fa89e8d1251b57e5498a42349.png][]

ping查看丢包

倒数第二行里有个`100% packet loss`，意思是丢包率100%。

但这样其实你只能知道**你的机器和目的机器之间有没有丢包。**

**那如果你想知道你和目的机器之间的这条链路，哪个节点丢包了，有没有办法呢?**

有。

#### mtr命令 ####

mtr命令可以查看到你的机器和目的机器之间的每个节点的丢包情况。

像下面这样执行命令。

![46c004d382b61a6be702ed5cff254aaf.png][]

mtr\_icmp

其中 -r 是指report，以报告的形式打印结果。

可以看到`Host`那一列，出现的都是链路中间每一跳的机器，`Loss`的那一列就是指这一跳对应的丢包率。

需要注意的是，中间有一些是host是`???`，那个是因为**mtr默认用的是ICMP包**，有些节点限制了**ICMP包**，导致不能正常展示。

我们可以在mtr命令里加个`-u`，也就是使用**udp包**，就能看到部分???对应的IP。

![d98b2e0b3f463019d63b0322b3ed7670.png][]

mtr-udp

把**ICMP包和UDP包的结果**拼在一起看，就是**比较完整**的链路图了。

还有个小细节，`Loss`那一列，我们在icmp的场景下，关注**最后一行**，如果是0%，那不管前面loss是100%还是80%都无所谓，那些都是**节点限制**导致的**虚报**。

但如果**最后一行是20%，再往前几行都是20%左右**，那说明丢包就是从最接近的那一行开始产生的，长时间是这样，那很可能这一跳出了点问题。如果是公司内网的话，你可以带着这条线索去找对应的网络同事。如果是外网的话，那耐心点等等吧，别人家的开发会比你更着急。

![499cfd428ab6c0cb7e04758b28415f4a.png][]

### 发生丢包了怎么办 ###

说了这么多。只是想告诉大家，**丢包是很常见的，几乎不可避免的一件事情**。

但问题来了，发生丢包了怎么办？

这个好办，用**TCP协议**去做传输。

![4666fb7f60781692a9fec3938d99b142.png][]

TCP是什么

建立了TCP连接的两端，发送端在发出数据后会等待接收端回复`ack包`，`ack包`的目的是为了告诉对方自己确实收到了数据，但如果中间链路发生了丢包，那发送端会迟迟收不到确认ack，于是就会进行**重传**。以此来保证每个数据包都确确实实到达了接收端。

假设现在网断了，我们还用聊天软件发消息，聊天软件会使用TCP不断尝试重传数据，**如果重传期间网络恢复了**，那数据就能正常发过去。但如果多次重试直到超时都还是失败，这时候你将收获一个**红色感叹号**。

![661365b740b8dc45e68486191f32be5d.png][]

这时候问题又来了。

假设**某绿皮聊天软件用的就是TCP协议。**

那文章开头提到的女生，她男朋友回她的消息时为什么还会丢包？毕竟丢包了会**重试**，重试失败了还会出现**红色感叹号。**

于是乎，问题就变成了，**用了TCP协议，就一定不会丢包吗？**

### 用了TCP协议就一定不会丢包吗 ###

我们知道TCP位于**传输层**，在它的上面还有各种**应用层协议**，比如常见的HTTP或者各类RPC协议。

![8badf484a93d8a9d5d3432b7f700b1bb.png][]

四层网络协议

TCP保证的可靠性，是**传输层的可靠性**。也就是说，**TCP只保证数据从A机器的传输层可靠地发到B机器的传输层。**

至于数据到了接收端的传输层之后，能不能保证到应用层，TCP并不管。

假设现在，我们输入一条消息，从聊天框发出，走到**传输层TCP协议的发送缓冲区**，不管中间有没有丢包，最后通过重传都保证发到了对方的**传输层TCP接收缓冲区**，此时接收端回复了一个`ack`，发送端收到这个`ack`后就会将自己**发送缓冲区**里的消息给扔掉。到这里TCP的任务就结束了。

TCP任务是结束了，但聊天软件的任务没结束。

**聊天软件还需要将数据从TCP的接收缓冲区里读出来，如果在读出来这一刻，手机由于内存不足或其他各种原因，导致软件崩溃闪退了。**

发送端以为自己发的消息已经发给对方了，但接收端却并没有收到这条消息。

于是乎，**消息就丢了。**

![77880452f6f852684cf6fd5504a3f962.png][]

使用TCP协议却发生丢包

**虽然概率很小，但它就是发生了**。

合情合理，逻辑自洽。

### 这类丢包问题怎么解决？ ###

故事到这里也到尾声了，感动之余，我们来**聊点掏心窝子的话**。

**其实前面说的都对，没有一句是假话**。

但某绿皮聊天软件这么成熟，怎么可能没考虑过这一点呢。

大家应该还记得我们文章开头提到过，**为了简单**，就将服务器那一方给省略了，从三端通信变成了两端通信，所以才有了这个丢包问题。

**现在我们重新将服务器加回来。**

![2a9a9ffb49bb5fac8b3f32baebb82e17.png][]

聊天软件三端通信

大家有没有发现，有时候我们在手机里聊了一大堆内容，然后登录电脑版，它能将最近的聊天记录都同步到电脑版上。也就是说服务器**可能**记录了我们最近发过什么数据，假设**每条消息都有个id**，服务器和聊天软件每次都拿**最新消息的id**进行对比，就能知道两端消息是否一致，就像**对账**一样。

对于**发送方**，只要定时跟服务端的内容对账一下，就知道哪条消息没发送成功，直接重发就好了。

如果**接收方**的聊天软件崩溃了，重启后跟服务器稍微通信一下就知道少了哪条数据，同步上来就是了，所以也不存在上面提到的丢包情况。

可以看出，**TCP只保证传输层的消息可靠性，并不保证应用层的消息可靠性。如果我们还想保证应用层的消息可靠性，就需要应用层自己去实现逻辑做保证。**

那么问题叒来了，**两端通信的时候也能对账，为什么还要引入第三端服务器？**

主要有三个原因。

*  第一，如果是两端通信，你聊天软件里有`1000个`好友，你就得建立`1000个`连接。但如果引入服务端，你只需要跟服务器建立`1个`连接就够了，**聊天软件消耗的资源越少，手机就越省电**。
 *  第二，就是**安全问题**，如果还是两端通信，随便一个人找你对账一下，你就把聊天记录给同步过去了，这并不合适吧。如果对方别有用心，信息就泄露了。引入第三方服务端就可以很方便的做各种**鉴权**校验。
 *  第三，是**软件版本问题**。软件装到用户手机之后，软件更不更新就是由用户说了算了。如果还是两端通信，且两端的**软件版本跨度太大**，很容易产生各种兼容性问题，但引入第三端服务器，就可以强制部分过低版本升级，否则不能使用软件。但对于大部分兼容性问题，给服务端加兼容逻辑就好了，不需要强制用户更新软件。

所以看到这里大家应该明白了，我把服务端去掉，并不单纯是**为了简单**。

### 总结 ###

*  数据从发送端到接收端，链路很长，任何一个地方都可能发生丢包，几乎可以说丢包不可避免。
 *  平时没事也不用关注丢包，大部分时候TCP的重传机制保证了消息可靠性。
 *  当你发现服务异常的时候，比如接口延时很高，总是失败的时候，可以用ping或者mtr命令看下是不是中间链路发生了丢包。
 *  TCP只保证传输层的消息可靠性，并不保证应用层的消息可靠性。如果我们还想保证应用层的消息可靠性，就需要应用层自己去实现逻辑做保证。

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