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PseudoTcp - 建立UDP之上的TCP（1）：連接和關(guān)閉
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最近閱讀了Libjingle的PseudoTcp.LibJingle很是下功夫做P2P了，在UDP之上做了可靠的傳輸協(xié)議PseudoTcp.
了解PseudoTcp之前，我們需要了解一些TCP的特性。
根據(jù)《TCP/IP詳解》卷1，可以總結(jié)如下：
1.TCP是面相連接的，他需要3次握手和4次終止過程。
2.TCP支持Nangle算法和經(jīng)受時(shí)延的確認(rèn)來控制報(bào)文段數(shù)目。
3.TCP含有滑動窗口來控制接收方的流量。
4.TCP支持超時(shí)與重傳。
5.TCP支持擁塞避免算法。
6.TCP具有堅(jiān)持定時(shí)器和保活定時(shí)器
7.TCP要支持路徑MTU發(fā)現(xiàn)、長肥管道、時(shí)間戳選項(xiàng)。
那我們一起剖析一下PseudoTcp實(shí)現(xiàn)了上面哪些功能。
PseudoTcp(以后簡稱PTCP吧）的格式：
通過結(jié)構(gòu)Segment 定義此報(bào)文頭部：
struct Segment {
uint32 conv, seq, ack;
uint8 flags;
uint16 wnd;
const char * data;
uint32 len;
uint32 tsval, tsecr;
};
各個(gè)字段的含義如下：
A)Conversation Number : 流水號，是用來標(biāo)識此次連接。即TCP里所謂的本地IP：本地端口-遠(yuǎn)程IP：遠(yuǎn)程端口，4組合為一個(gè)流水號。因?yàn)?/span>PTCP是UDP之上的（當(dāng)然也可以是其他協(xié)議之上），如果socket沒有綁定到本地端口，可能獲取的不是需要的數(shù)據(jù)。如果獲取的Conv Number不一樣，接收方會發(fā)送RST（不過PTCP里已經(jīng)注釋了此段代碼）。此外，PTCP并不關(guān)心他的傳輸層是有一個(gè)連接還是多個(gè)連接，她只關(guān)心CONV Number是否一致。
B)Seq Number:32位序號，即此數(shù)據(jù)表示的序列，不一定從0開始
C)Ack Number:32確認(rèn)序列號。確認(rèn)已經(jīng)獲取到的數(shù)據(jù)序列加1，即下一個(gè)需要接受的序列號。
D)Control:現(xiàn)未使用
E)URG:緊急指針，1bit
F)ACK:確認(rèn)序列號有效,1bit
G)PSH:接收方盡可能將這個(gè)報(bào)文送給應(yīng)用層，1bit
H)RST:重置連接
I)FIN:表示發(fā)送完所有數(shù)據(jù)，斷開連接。
J)Window:窗口大小
K)TimeStamp Sending:本端發(fā)送包時(shí)間（采用以本端的時(shí)間計(jì)算方式）
L)TimeStamp Receiving:對方最近接收包時(shí)間（采用以對方的時(shí)間計(jì)算方式）
M)Data:數(shù)據(jù)
注：上面的E-I的含義，在實(shí)現(xiàn)上完全不同。下面會提到。
PTCP的狀態(tài)：
TCP_LISTEN：監(jiān)聽
TCP_SYN_SENT：SYN包已經(jīng)發(fā)送
TCP_SYN_RECEIVED：已經(jīng)接收SYN包
TCP_ESTABLISHED：已經(jīng)建立連接
TCP_CLOSED：已經(jīng)關(guān)閉連接
PTCP的狀態(tài)轉(zhuǎn)移相對TCP來說簡單多了，TCP如下：
3路握手：
TCP建議連接時(shí)需要來回總共有3個(gè)TCP包來做握手，即
A)SYN[A]:
B)ACK[B],SYN[A+1]
C)ACK[B+1]
PTCP握手過程如下：
當(dāng)開始時(shí)兩端都處于TCP_LISTEN狀態(tài)。
當(dāng)C端發(fā)送SYN包到S端時(shí)，C端處于TCP_SYN_SENT狀態(tài)
當(dāng)S端處于TCP_LISTEN時(shí)收到SYN包，S端轉(zhuǎn)為TCP_SYN_RECEIVED
當(dāng)S端處于TCP_SYN_RECEIVED時(shí)，發(fā)送ACK時(shí)狀態(tài)不變
當(dāng)C端處于TCP_SYN_SENT時(shí)，收到ACK，則轉(zhuǎn)為TCP_ESTABLISHED
當(dāng)S端處于TCP_SYN_RECEIVED，收到非控制包時(shí)轉(zhuǎn)為TCP_ESTABLISHED
這里解釋一下控制包：上面PTCP協(xié)議頭結(jié)構(gòu)里的第13個(gè)字節(jié)處（即URG，ACK等在的字節(jié)）其實(shí)只取3個(gè)值之一:
0:數(shù)據(jù)包
0x02：CTL包，當(dāng)握手時(shí)使用。
0x04：RST包。現(xiàn)在發(fā)此段包的代碼被注釋掉。
所以控制包，指的是握手時(shí)才會發(fā)送，握手完之后都屬于數(shù)據(jù)包。
可見PTCP的握手過程和TCP的握手過程有微小的差異。當(dāng)C端轉(zhuǎn)為TCP_ESTABLISHED后，等到有數(shù)據(jù)才會發(fā)送給S端（而不是立即），S端直到只有等到有數(shù)據(jù)的包時(shí)，才把狀態(tài)改為TCP_ESTABLISHED。而TCP是，如果沒有數(shù)據(jù)會立即發(fā)送，S端只要收到ACK就改為ESTABLISHED狀態(tài)。
連接建立時(shí)超時(shí)：
當(dāng)C端發(fā)送完SYN包之后，一直沒有響應(yīng)時(shí)，沒過3S，C端會發(fā)送一個(gè)SYN請求。直到發(fā)送30次之后，還沒有收到回包，則停止發(fā)送并關(guān)閉連接。即等待時(shí)間為3*30=90S，而大多數(shù)TCP實(shí)現(xiàn)的超時(shí)時(shí)間為75S。
最大報(bào)文段長度（MSS)：
TCP默認(rèn)MSS為536，即取MTU為576（ X.25 Networks），包括20個(gè)字節(jié)的IP頭和20個(gè)字節(jié)的TCP頭。
對于PTCP，默認(rèn)MTU取為65536，即UDP容納的最大長度，那么MSS取值為65536-116。
116的計(jì)算來自：
PACKET_OVERHEAD = HEADER_SIZE + UDP_HEADER_SIZE + IP_HEADER_SIZE + JINGLE_HEADER_SIZE
JINGLE_HEADER_SIZE用于Relay包，具體需要了解STUN協(xié)議和TURN協(xié)議。
MTU的發(fā)現(xiàn)完全由調(diào)用方來決定，PTCP只提供了接口來更新MTU。
在Libjingle里，對于win32，枚舉下面數(shù)組PACKET_MAXIMUMS，然后通過WinPing來發(fā)現(xiàn)此次PTCP連接的MTU。如果沒有獲取到MTU，默認(rèn)取值為1280（此時(shí)MSS為1280-116=1164）。
為什么MTU默認(rèn)取值為1280呢，有什么數(shù)據(jù)依據(jù)呢？
// Standard MTUs
const uint16 PACKET_MAXIMUMS[] = {
65535, // Theoretical maximum, Hyperchannel
32000, // Nothing
17914, // 16Mb IBM Token Ring
8166, // IEEE 802.4
//4464, // IEEE 802.5 (4Mb max)
4352, // FDDI
//2048, // Wideband Network
2002, // IEEE 802.5 (4Mb recommended)
//1536, // Expermental Ethernet Networks
//1500, // Ethernet, Point-to-Point (default)
1492, // IEEE 802.3
1006, // SLIP, ARPANET
//576, // X.25 Networks
//544, // DEC IP Portal
//512, // NETBIOS
508, // IEEE 802/Source-Rt Bridge, ARCNET
296, // Point-to-Point (low delay)
//68, // Official minimum
0, // End of list marker
};
PTCP的關(guān)閉。
TCP的關(guān)閉時(shí)由4步驟完成。
1. FIN[A]
2. ACK[A+1]
3. FIN[B]
4. ACK[B+1]
然而，有時(shí)候可以做到3步，即上面的2,3步可以合成在一個(gè)TCP包里發(fā)送。對于上面只完成前兩步的狀態(tài)成為半關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)發(fā)送FIN[A]的端表示自己不再有多余的數(shù)據(jù)要發(fā)送，但還能接收數(shù)據(jù)。
當(dāng)調(diào)用PTCP的Close方法時(shí)，此端丟棄對方發(fā)過來的數(shù)據(jù)，只做應(yīng)答，即只發(fā)送對方發(fā)來數(shù)據(jù)的ACK。并且等到此方數(shù)據(jù)都發(fā)送完，需關(guān)閉整個(gè)連接。以此看來，PTCP沒有半關(guān)閉狀態(tài)，并且PTCP也只是用來支持P2P用的，不需要半關(guān)閉狀態(tài)。
2MSL等待狀態(tài)
MSL是指一個(gè)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上存在的最長時(shí)間。而2MSL是指當(dāng)主動關(guān)閉方發(fā)送被動關(guān)閉方發(fā)送的FIN對應(yīng)的ACK時(shí)，如果這個(gè)ACK被丟失了，則被動關(guān)閉方超時(shí)重發(fā)最后的FIN，此時(shí)主動關(guān)閉方再次發(fā)ACK，當(dāng)主動關(guān)閉方發(fā)送第一個(gè)FIN對應(yīng)的ACK到，拿到最后的FIN之間的時(shí)間段最長為2MSL。那為什么主動關(guān)閉方處于2MSL等待狀態(tài)呢？是因?yàn)椋绻鲃雨P(guān)閉方發(fā)送了第一個(gè)FIN對應(yīng)的ACK之后，放棄了此連接，那么下一個(gè)新建的連接有可能復(fù)用此連接(即同一個(gè)插口對），此時(shí)新建的連接有可能因?yàn)樯弦粋€(gè)丟失的ACK，而收到重發(fā)的FIN，導(dǎo)致連接被關(guān)閉。
然而PTCP不存在半關(guān)閉的概念，故2MSL等待狀態(tài)也隨之沒有。此外，PTCP是用來做P2P的，兩者之間的連接時(shí)雙方協(xié)商定義的，并且PTCP在頭部給予了Conversation number的概念，以便協(xié)商中防止產(chǎn)生同一個(gè)連接的產(chǎn)生。
復(fù)位報(bào)文段
當(dāng)TCP存在如下情況時(shí)會產(chǎn)生復(fù)位報(bào)文段。
A.當(dāng)服務(wù)器沒有開啟指定的連接端口時(shí)，對于UDP來說產(chǎn)生端口不可達(dá)，而TCP產(chǎn)生RST報(bào)文
B.當(dāng)一端產(chǎn)生異常終止時(shí)，會發(fā)送RST報(bào)文。即當(dāng)設(shè)置SO_LINGER套接口選項(xiàng)時(shí)，close套接口會產(chǎn)生RST報(bào)文。
C.檢測到半打開連接，當(dāng)接收方異常終止重啟后接收對方在舊的連接上傳過來的數(shù)據(jù)時(shí)，會發(fā)送RST報(bào)文。
對于PTCP來說，現(xiàn)在沒有一個(gè)地方會發(fā)送RST報(bào)文（之前有過的被注釋了，當(dāng)收到不是當(dāng)前的CONV時(shí)會發(fā)送RST），但如果一旦收到了RST報(bào)文，則立即關(guān)閉此連接。
同時(shí)打開
TCP的同時(shí)打開情景是如下：當(dāng)C用端口7777連接S的端口8888，同時(shí)S用端口8888連接C的端口7777，此時(shí)包的順序如下：
1) SYN[A]
2) SYN[B]
3) ACK[A+1]
4) ACK[B+1]
顯然上面的握手從3次變?yōu)?/span>4次。
PTCP的同時(shí)打開，也類似如上，由4個(gè)包來完成握手。
1) C端發(fā)送SYN時(shí)，狀態(tài)變?yōu)?/span>TCP_SYN_SENT
2) 同時(shí)S端發(fā)送SYN，S和C的狀態(tài)此時(shí)都為TCP_SYN_SENT
3) C,S同時(shí)向?qū)Ψ剑梢圆皇峭瑫r(shí)）發(fā)送ACK，此時(shí)C，S狀態(tài)都變?yōu)?/span>TCP_ESTABLISHED。
同時(shí)關(guān)閉
TCP是支持C，S同時(shí)關(guān)閉的。
1)C,S同時(shí)發(fā)送FIN，狀態(tài)變?yōu)?/span>FIN_WAIT_1
2)C,S同時(shí)收到FIN，并發(fā)送ACK，狀態(tài)變?yōu)?/span>CLOSING
3)C,S同時(shí)收到ACK，兩個(gè)狀態(tài)都變?yōu)?/span>TIME_WAIT
對于PTCP，沒有像TCP，不存在FIN包，顯然對關(guān)閉狀態(tài)的維護(hù)不是很完美。也同樣，看不到同時(shí)關(guān)閉的情形，這些交給底層傳輸層（UDP）等之類來完成，由調(diào)用方來維護(hù)狀態(tài)。
為什么PTCP沒有提供FIN報(bào)文以及對應(yīng)的狀態(tài)呢？
TCP選項(xiàng)
TCP保留40個(gè)字節(jié)傳輸其他選項(xiàng)，主要有窗口擴(kuò)大因子，時(shí)間戳選項(xiàng)，MSS長度等。
PTCP也通過一種方式來增加其他選項(xiàng)，如MSS和窗口擴(kuò)大因子。當(dāng)傳輸?shù)氖强刂瓢矣袛?shù)據(jù)內(nèi)容時(shí)，如果第一個(gè)字節(jié)為CTL_CONNECT，則會調(diào)用方法parseOptions來解析是否含有MSS，窗口擴(kuò)大因子等等選項(xiàng)。這些選項(xiàng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)后續(xù)會提及（時(shí)間戳選項(xiàng)直接在報(bào)文頭里有，固這個(gè)選項(xiàng)很重要，后續(xù)會提到此選項(xiàng)的作用）。