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关于TCP可靠性的一点思考，借此浅谈应用层协议设计

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本文主要讨论如何设计一个可靠的RPC协议。TCP是可靠的传输协议，不会丢包，不会乱序，这是课本上讲述了无数遍的道理。基于TCP的传输理论上来说都是可靠的，但是实际这也得看场景。当我做网络游戏的时候也是一直把它当一个可靠的传输协议来用，从没考虑过TCP丢包的问题。直到当我面临像网络存储、机器学习这样领域时，我发现TCP变得“不可靠”了。

具体来说：

  1. 发送方能不能知道已发送的数据对方是不是都收到了？或者，收到了多少？答：不能

  2. 如果怀疑对方没收到，有没有办法可以确认对方没有收到？ 答：不能

  3. 我想发送的是“123”，对方收到的会不会是“1223”？ 答：是的，会这样，而且无法避免。

第一个问题看起来很傻，众所周知TCP有ACK啊，ACK就是用来对方通知接收到了多少个字节的。可是，实际情况是，ACK是操作系统的事儿，它收到ACK后并不会通知用户态的程序。发送的流程是这样的：

  1. 应用程序把待发送的数据交给操作系统

  2. 操作系统把数据接收到自己的buffer里，接收完成后通知应用程序发送完成

  3. 操作系统进行实际的发送操作

  4. 操作系统收到对方的ACK

问题来了，假如在执行完第二步之后，网络出现了暂时性故障，TCP连接断了，你该怎么办？如果是网络游戏，这很简单，把用户踢下线，让他重新登录去，活该他网不好。但是如果比较严肃的场合，你当然希望能支持TCP重连。那么问题就来了，应用程序并不知道哪些数据发丢了。

以Windows I/O completion ports举个例子。一般的网络库实现是这样的：在调用WSASend之前，malloc一个WSABuffer，把待发送数据填进去。等到收到操作系统的发送成功的通知后，把buffer释放掉（或者转给下一个Send用）。在这样的设计下，就意味着一旦遇上网络故障，丢失的数据就再也找不回来了。你可以reconnect，但是你没办法resend，因为buffer已经被释放掉了。所以这种管理buffer的方式是一个很失败的设计，释放buffer应当是在收到response之后。

Solution：不要依赖于操作系统的发送成功通知，也不要依赖于TCP的ACK，如果你希望保证对方能收到，那就在应用层设计一个答复消息。再或者说，one-way RPC都是不可靠的，无论传输层是TCP还是UDP，都有可能会丢。

第二个问题，是设计应用层协议的人很需要考虑的，简单来说，“成功一定是成功但失败不一定是失败”。我想举个例子。假如你现在正在通过网银给房东转账交房租，然后网银客户端说：“网络超时，转账操作可能失败”。你敢重新再转一次吗？我打赌你不敢。

再举个例子，假设你设计了一个分布式文件存储服务。这个服务只有一条“Append”协议：

  1. 客户端向服务器发送文件名和二进制data。

  2. 服务器把文件打开(不存在则创建），写入数据，然后返回“OK”。中途遇到任何错误则返回“FAIL”

假设你现在有一个20TB的文件，你按照1 GB、1 GB的方式往上传。每发送1 GB，收到OK后，继续发送下1 GB。然后不幸的是中途遇到一个FAIL，你该怎么办？能断点续传吗？NO。因为服务器有可能在写入成功的情况下也返回FAIL（或者网络超时，没有任何回复）。所以你不能重发送未完成的请求。如果你选择从头传，而文件又特别大，那么你可能永远都不会成功。

Solution：采用positioned write。即在客户端发给服务器的请求里加上文件偏移量（offset）。缺点是：若你想要多个客户端同时追加写入同一个文件，那几乎是不可能的。

第三个问题：我想发送的是“123”，对方收到的会不会是“1223”？你想要支持重连、重试，那么你得容忍这种情况发生。

Solution：在应用层给每个message标记一个id，让接收者去重即可。

接下来讨论下如何关闭连接。简单来说：谁是收到最后一条消息的人，谁来主动关闭tcp 连接。另一方在recv返回0字节之后close，千万不要主动的close。

在协议设计上，分两种情况：

  1. 协议是一问一答（类似于HTTP），且发“问”（request）的总是同一方。一方只问，另一方只答

  2. 有显式的EOF消息通知对方shutdown。

如果不满足以上两点的任何一点，那么就没有任何一方能判断它收到的消息是不是最后一条，那协议设计有问题，要改！

（p.s. Windows上还有一种方法，就是用半关连接shutdown(SD_SEND)来标志结束，但是操作起来比较复杂，还不如改协议来的快，容易debug）

建议继续学习：

  1. TCP 的那些事儿（上）    (阅读：21551)
  2. 浅谈TCP优化    (阅读：9775)
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