tcp是可靠的吗(tcp可靠传输的实现)

在多线程任务中，TCP任务通过三次握手能建立可靠的连接，但是经常会发生在数据传输或通信时发生网络突然断开或者长时间连接空循环监听而未进行操作，需要在软件设计时考虑程序运行中检测到服务器对客户端的这一“虚连接”现象。 如果主机崩溃，write是否阻塞取决于内核的tcp缓冲区，但read将一直阻塞，直到超时ETIMEOUT，或由于某些中间路由器的原因返回EHOSTUNREACH/ENETUNREACH。select不能检测到该情况。如果主机崩溃并重起，客户的write到达主机时主机响应RST，客户的read将返ECONNRESET。此处的”非正常断开”指TCP连接不是以优雅的方式断开,如网线故障等物理链路的原因,还有突然主机断电等原因。心跳机制有两种方法可以检测:1.TCP连接双方定时发握手消息2.利用TCP协议栈中的KeepAlive探测第二种方法简单可靠,只需对TCP连接两个Socket设定KeepAlive探测,所以本文只讲第二种方法在Linux,Window2000下的实现(在其它的平台上没有作进一步的测试)1）Windows平台C代码//定义结构及宏struct TCP_KEEPALIVE {u_longonoff;u_longkeepalivetime;u_longkeepaliveinterval;} ;#define SIO_KEEPALIVE_VALS _WSAIOW(IOC_VENDOR,4)//KeepAlive实现TCP_KEEPALIVE inKeepAlive = {0}; //输入参数unsigned long ulInLen = sizeof(TCP_KEEPALIVE);TCP_KEEPALIVE outKeepAlive = {0}; //输出参数unsigned long ulOutLen = sizeof(TCP_KEEPALIVE);unsigned long ulBytesReturn = 0;//设置socket的keep alive为5秒，并且发送次数为3次inKeepAlive.onoff = 1;inKeepAlive.keepaliveinterval = 5000; //两次KeepAlive探测间的时间间隔inKeepAlive.keepalivetime = 5000; //开始首次KeepAlive探测前的TCP空闭时间if (WSAIoctl((unsigned int)s, SIO_KEEPALIVE_VALS,(LPVOID)&inKeepAlive, ulInLen,(LPVOID)&outKeepAlive, ulOutLen,&ulBytesReturn, NULL, NULL) == SOCKET_ERROR){ACE_DEBUG ((LM_INFO,ACE_TEXT ("(%P|%t) WSAIoctl failed. error code(%d)!n"), WSAGetLastError()));}//定义结构及宏 struct TCP_KEEPALIVE { u_longonoff; u_longkeepalivetime; u_longkeepaliveinterval; } ; #define SIO_KEEPALIVE_VALS _WSAIOW(IOC_VENDOR,4) //KeepAlive实现 TCP_KEEPALIVE inKeepAlive = {0}; //输入参数 unsigned long ulInLen = sizeof(TCP_KEEPALIVE); TCP_KEEPALIVE outKeepAlive = {0}; //输出参数 unsigned long ulOutLen = sizeof(TCP_KEEPALIVE); unsigned long ulBytesReturn = 0; //设置socket的keep alive为5秒，并且发送次数为3次 inKeepAlive.onoff = 1; inKeepAlive.keepaliveinterval = 5000; //两次KeepAlive探测间的时间间隔 inKeepAlive.keepalivetime = 5000; //开始首次KeepAlive探测前的TCP空闭时间 if (WSAIoctl((unsigned int)s, SIO_KEEPALIVE_VALS, (LPVOID)&inKeepAlive, ulInLen, (LPVOID)&outKeepAlive, ulOutLen, &ulBytesReturn, NULL, NULL) == SOCKET_ERROR) { ACE_DEBUG ((LM_INFO, ACE_TEXT ("(%P|%t) WSAIoctl failed. error code(%d)!n"), WSAGetLastError())); }2）Linux平台C代码#include……////KeepAlive实现//下面代码要求有ACE,如果没有包含ACE,则请把用到的ACE函数改成linux相应的接口int keepAlive = 1;//设定KeepAliveint keepIdle = 5;//开始首次KeepAlive探测前的TCP空闭时间int keepInterval = 5;//两次KeepAlive探测间的时间间隔int keepCount = 3;//判定断开前的KeepAlive探测次数if(setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_KEEPALIVE,(void*)&keepAlive,sizeof(keepAlive)) == -1){ACE_DEBUG ((LM_INFO,ACE_TEXT ("(%P|%t) setsockopt SO_KEEPALIVE error!n")));}if(setsockopt(s,SOL_TCP,TCP_KEEPIDLE,(void *)&keepIdle,sizeof(keepIdle)) == -1){ACE_DEBUG ((LM_INFO,ACE_TEXT ("(%P|%t) setsockopt TCP_KEEPIDLE error!n")));}if(setsockopt(s,SOL_TCP,TCP_KEEPINTVL,(void *)&keepInterval,sizeof(keepInterval)) == -1){ACE_DEBUG ((LM_INFO,ACE_TEXT ("(%P|%t) setsockopt TCP_KEEPINTVL error!n")));}if(setsockopt(s,SOL_TCP,TCP_KEEPCNT,(void *)&keepCount,sizeof(keepCount)) == -1){ACE_DEBUG ((LM_INFO,ACE_TEXT ("(%P|%t)setsockopt TCP_KEEPCNT error!n")));}心跳机制：定时发送一个自定义的结构体(心跳包)，让对方知道自己还活着，以确保连接的有效性。网络中的接收和发送数据都是使用WINDOWS中的SOCKET进行实现。但是如果此套接字已经断开，那发送数据和接收数据的时候就一定会有问题。可是如何判断这个套接字是否还可以使用呢？这个就需要在系统中创建心跳机制。其实TCP中已经为我们实现了一个叫做心跳的机制。如果你设置了心跳，那TCP就会在一定的时间（比如你设置的是3秒钟）内发送你设置的次数的心跳（比如说2次），并且此信息不会影响你自己定义的协议。所谓“心跳”就是定时发送一个自定义的结构体（心跳包或心跳帧），让对方知道自己“在线”。以确保链接的有效性。所谓的心跳包就是客户端定时发送简单的信息给服务器端告诉它我还在而已。代码就是每隔几分钟发送一个固定信息给服务端，服务端收到后回复一个固定信息如果服务端几分钟内没有收到客户端信息则视客户端断开。比如有些通信软件长时间不使用，要想知道它的状态是在线还是离线就需要心跳包，定时发包收包。发包方：可以是客户也可以是服务端，看哪边实现方便合理。一般是客户端。服务器也可以定时轮询发心跳下去。心跳包之所以叫心跳包是因为：它像心跳一样每隔固定时间发一次，以此来告诉服务器，这个客户端还活着。事实上这是为了保持长连接，至于这个包的内容，是没有什么特别规定的，不过一般都是很小的包，或者只包含包头的一个空包。在TCP的机制里面，本身是存在有心跳包的机制的，也就是TCP的选项。系统默认是设置的是2小时的心跳频率。但是它检查不到机器断电、网线拔出、防火墙这些断线。而且逻辑层处理断线可能也不是那么好处理。一般，如果只是用于保活还是可以的。心跳包一般来说都是在逻辑层发送空的包来实现的。下一个定时器，在一定时间间隔下发送一个空包给客户端，然后客户端反馈一个同样的空包回来，服务器如果在一定时间内收不到客户端发送过来的反馈包，那就只有认定说掉线了。只需要send或者recv一下，如果结果为零，则为掉线。但是，在长连接下，有可能很长一段时间都没有数据往来。理论上说，这个连接是一直保持连接的，但是实际情况中，如果中间节点出现什么故障是难以知道的。更要命的是，有的节点（防火墙）会自动把一定时间之内没有数据交互的连接给断掉。在这个时候，就需要我们的心跳包了，用于维持长连接，保活。在获知了断线之后，服务器逻辑可能需要做一些事情，比如断线后的数据清理呀，重新连接呀当然，这个自然是要由逻辑层根据需求去做了。总的来说，心跳包主要也就是用于长连接的保活和断线处理。一般的应用下，判定时间在30-40秒比较不错。如果实在要求高，那就在6-9秒。TCP连接异常断开后操作系统会告诉你，你查询套接字的状态会得到异常，或者当发现函数失败WSAGetLastError的时候也会得到内核的通知。// 发送回应消息int nSend = Send4IntMsg(sock, (char*)(LPCTSTR)strSendBuf,strSendBuf.GetLength(), errMsg);if (nSend < 0) //发送消息失败closesocket(sock);//重新连接 在B/S编程和UDP编程时才用到心跳。比如定期向web服务器发一个request证明自己在线。http协议是请求一下就断开了，每次都要重新连接，重新请求，这种情况下才有必要用心跳机制。一般的TCP通信都是长连接，不可能频繁连接和断开。对于长期保持连接的情况，一旦断开，操作系统底层都会通知你，你需要解决的是如何获取到系统的通知。

为什么TCP协议是可靠的？TCP协议是怎么保证数据的可靠的？答：能够保证TCP协议可靠的算法有检验和，连接管理机制，ACK应答机制，快速重传和超时重传机制，滑动窗口机制，拥塞控制机制，这些机制共同保证TCP协议的可靠性。检验和：TCP检验和的计算与UDP一样，在计算时要加上12byte的伪首部，检验范围包括TCP首部及数据部分，但是UDP的检验和字段为可选的，而TCP中是必须有的。计算方法为：在发送方将整个报文段分为多个16位的段，然后将所有段进行反码相加，将结果存放在检验和字段中，接收方用相同的方法进行计算，如最终结果为检验字段所有位是全1则正确（UDP中为0是正确），否则存在错误。可以保证接收方能判断当前报文是否属于自己要接受的报文，如果为0，那就是，不为0，则不是，丢弃此报文。抽象些来说就像是取快递，你的电话姓名和快递上的信息一致，你才能确定这是你的快递，才会去取，不会错拿别人的快递。序列号：TCP 对每个报文进行编号，这些编号就是序列号。而序列号有多种作用a：保证可靠性，当接收到的数据失序时，就能立马知道b：去除重复的报文，数据传输过程中的确认应答，重发控制，重复控制等功能都要依靠序列号来实先。c：提高效率，可以实现多次发送，一次确认。ACK应答机制：发送的每一条消息，都需要对方发送一条消息来回复消息是否被收到。主要实现是TCP的首部来控制，当ACK =1 时ack才有效，ack等于期望下一个传输过来的序号，也就是上一次接收消息的序号+1。这样就可以保证消息能被确认接收。（三次握手和四次挥手都在用这个机制）连接管理机制：三次握手建立连接与四次挥手断开连接，保证了TCP的全双工工作。快重传和超时重传：保证了数据能够不丢失的传输数据。（注意：超时重传机制和快重传机制，同时存在。谁先检验到报文失序，谁就生效。）滑动窗口：滑动窗口既提高了报文传输的效率，也避免了发送方发送过多的数据而导致接收方无法正常处理的异常。数据的发送方和接收方都有滑动窗口，对于发送方来说，窗口内就是可以发送的报文，当窗口的前沿紧挨的报文发送并且确认时，窗口向后移动。而窗口的后沿可以向前移动，当接收方处理不了那么多的报文时，就会发送消息告诉发送方，此时滑动窗口就需要缩小，所以后沿前移。但是TCP非常不建议窗口后沿前移。说到滑动窗口，就不得不梳理一下消息发送的过程中的缓存机制:发送方和接收方的滑动窗口工作流程：伴随着效率的提升，也会有问题产生，如果消息没被确认怎么办如图所示，假如31，32，33，34，报文发送了，32，33，34都被确认了，31没被确认怎么办呢？这时就重新发送31，并且31之后的数据报全部重新发送。在图中我们还会发现窗口的前沿和后沿会移动，窗口前沿和后沿都向后移动，意味着前沿紧挨的报文发送并被确认，而后沿的前移意味着，接收端处理那么多消息，请缩小窗口的大小。所以解决了发送的数据过多，导致接收端无法正常接收的异常。拥塞控制：拥塞控制使得宏观网络中的资源能够合理的应用。实现的算法有四个，慢开始，拥塞避免，快速回复，和快速重传.1.慢开始指一开始发送报文时，不清楚网络中的情况，试探性的发送1cwnd(拥塞窗口)的数据量。2.如果没有到ssthresh(慢开始门限值)，则以指数形式增长，一直到门限值；3.当到达门限值时，此时采用拥塞避免算法让拥塞窗口缓慢增长，即每经过一个RTT（往返时间）就把发送方的拥塞窗口+1，不能是指数性增长了，一直到发生网络拥塞为止。4.当发生网络拥塞时，把ssthresh的值设置为出现拥塞时发送窗口大小的一半，然后把拥塞窗口设置为1，再次执行慢开始算法。5.在发送方知道只是丢失了个别的报文段时，采用快恢复算法，将门限值设置成拥塞窗口大小的一半，并将拥塞窗口设置为当前门限值，并执行拥塞避免算法。6.当发送方一连收到3个对同一个报文段的重复确认时，采用快速重传算法，立即进行重传，这样就不会出现超时，可以使整个网络的吞吐量提高约20%。

TCP的可靠是体现在其通信过程必须经过三个阶段：连接建立、数据通信、连接撤销。并且使用了确认机制。因此其通信结果是可掌握的，必然成功的。 而UDP则几乎把传输的成功率完全依赖在IP协议上了，即尽最大努力去完成传输任务。它没有建立连接和撤销连接阶段，因此传输的结果有可能是失败，因此称为不可靠的协议。

TCP协议提供的是可靠的、面向连接的传输控制协议，即在传输数据前要先建立逻辑连接，然后再传输数据，最后释放连接3个过程。TCP提供端到端、全双工通信；采用字节流方式，如果字节流太长，将其分段；提供紧急数据传送功能。TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。 面向连接意味着两个使用TCP的应用（通常是一个客户和一个服务器）在彼此交换数据之前必须先建立一个TCP连接。这一过程与打电话很相似，先拨号振铃，等待对方摘机说“喂”，然后才说明是谁。

TCP的可靠保证，是它的三次握手双向机制，这一机制保证校验了数据，保证了他的可靠性。而UDP就没有了，udp信息发出后,不验证是否到达对方,所以不可靠。不过UDP的速度是TCP比不了的，而且UDP的反应速度更快，QQ就是用UDP协议传输的，HTTP是用TCP协议传输的，不用我说什么，自己体验一下就能发现区别了。再有就是UDP和TCP的目的端口不一样（这句话好象是多余的），而且两个协议不在同一层，TCP在三层，UDP不是在四层就是七层。 TCP/IP协议介绍TCP/IP的通讯协议这部分简要介绍一下TCP/IP的内部结构，为讨论与互联网有关的安全问题打下基础。TCP/IP协议组之所以流行，部分原因是因为它可以用在各种各样的信道和底层协议（例如T1和X.25、以太网以及RS-232串行接口）之上。确切地说，TCP/IP协议是一组包括TCP协议和IP协议，UDP（User Datagram Protocol）协议、ICMP（Internet Control Message Protocol）协议和其他一些协议的协议组。TCP/IP整体构架概述TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。传统的开放式系统互连参考模型，是一种通信协议的7层抽象的参考模型,其中每一层执行某一特定任务。该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。这7层是:物理层、数据链路层、网路层、传输层、话路层、表示层和应用层。而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为：应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。传输层：在此层中，它提供了节点间的数据传送服务，如传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。互连网络层：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。网络接口层：对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络（如Ethernet、Serial Line等）来传送数据。TCP/IP中的协议以下简单介绍TCP/IP中的协议都具备什么样的功能，都是如何工作的：1． IP网际协议IP是TCP/IP的心脏，也是网络层中最重要的协议。IP层接收由更低层（网络接口层例如以太网设备驱动程序）发来的数据包，并把该数据包发送到更高层---TCP或UDP层；相反，IP层也把从TCP或UDP层接收来的数据包传送到更低层。IP数据包是不可靠的，因为IP并没有做任何事情来确认数据包是按顺序发送的或者没有被破坏。IP数据包中含有发送它的主机的地址（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址）。高层的TCP和UDP服务在接收数据包时，通常假设包中的源地址是有效的。也可以这样说，IP地址形成了许多服务的认证基础，这些服务相信数据包是从一个有效的主机发送来的。IP确认包含一个选项，叫作IP source routing，可以用来指定一条源地址和目的地址之间的直接路径。对于一些TCP和UDP的服务来说，使用了该选项的IP包好象是从路径上的最后一个系统传递过来的，而不是来自于它的真实地点。这个选项是为了测试而存在的，说明了它可以被用来欺骗系统来进行平常是被禁止的连接。那么，许多依靠IP源地址做确认的服务将产生问题并且会被非法入侵。2. TCP如果IP数据包中有已经封好的TCP数据包，那么IP将把它们向‘上’传送到TCP层。TCP将包排序并进行错误检查，同时实现虚电路间的连接。TCP数据包中包括序号和确认，所以未按照顺序收到的包可以被排序，而损坏的包可以被重传。TCP将它的信息送到更高层的应用程序，例如Telnet的服务程序和客户程序。应用程序轮流将信息送回TCP层，TCP层便将它们向下传送到IP层，设备驱动程序和物理介质，最后到接收方。面向连接的服务（例如Telnet、FTP、rlogin、X Windows和SMTP）需要高度的可靠性，所以它们使用了TCP。DNS在某些情况下使用TCP（发送和接收域名数据库），但使用UDP传送有关单个主机的信息。3.UDPUDP与TCP位于同一层，但对于数据包的顺序错误或重发。因此，UDP不被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务，UDP主要用于那些面向查询---应答的服务，例如NFS。相对于FTP或Telnet，这些服务需要交换的信息量较小。使用UDP的服务包括NTP（网落时间协议）和DNS（DNS也使用TCP）。欺骗UDP包比欺骗TCP包更容易，因为UDP没有建立初始化连接（也可以称为握手）（因为在两个系统间没有虚电路），也就是说，与UDP相关的服务面临着更大的危险。4.ICMPICMP与IP位于同一层，它被用来传送IP的的控制信息。它主要是用来提供有关通向目的地址的路径信息。ICMP的‘Redirect’信息通知主机通向其他系统的更准确的路径，而‘Unreachable’信息则指出路径有问题。另外，如果路径不可用了，ICMP可以使TCP连接‘体面地’终止。PING是最常用的基于ICMP的服务。5. TCP和UDP的端口结构TCP和UDP服务通常有一个客户/服务器的关系，例如，一个Telnet服务进程开始在系统上处于空闲状态，等待着连接。用户使用Telnet客户程序与服务进程建立一个连接。客户程序向服务进程写入信息，服务进程读出信息并发出响应，客户程序读出响应并向用户报告。因而，这个连接是双工的，可以用来进行读写。两个系统间的多重Telnet连接是如何相互确认并协调一致呢？TCP或UDP连接唯一地使用每个信息中的如下四项进行确认：源IP地址 发送包的IP地址。目的IP地址 接收包的IP地址。源端口 源系统上的连接的端口。目的端口 目的系统上的连接的端口。 端口是一个软件结构，被客户程序或服务进程用来发送和接收信息。一个端口对应一个16比特的数。服务进程通常使用一个固定的端口，例如，SMTP使用25、Xwindows使用6000。这些端口号是‘广为人知’的，因为在建立与特定的主机或服务的连接时，需要这些地址和目的地址进行通讯。
TCP是面向连接的传输协议，每次都需要建立一个可以相互信任的连接，中间有个三次握手过程。 而UDP是面向无连接的传输协议，不需要建立安全的连接，就象QQ一样，使用UDP协议