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17 | TCP并不总是“可靠”的？

你好，我是盛延敏，这里是网络编程实战第17讲，欢迎回来。

在前面一讲中，我们讲到如何理解TCP数据流的本质，进而引出了报文格式和解析。在这一讲里，我们讨论通过如何增强读写操作，以处理各种“不可靠”的场景。

TCP是可靠的？

你可能会认为，TCP是一种可靠的协议，这种可靠体现在端到端的通信上。这似乎给我们带来了一种错觉，从发送端来看，应用程序通过调用send函数发送的数据流总能可靠地到达接收端；而从接收端来看，总是可以把对端发送的数据流完整无损地传递给应用程序来处理。

事实上，如果我们对TCP传输环节进行详细的分析，你就会沮丧地发现，上述论断是不正确的。

前面我们已经了解，发送端通过调用send函数之后，数据流并没有马上通过网络传输出去，而是存储在套接字的发送缓冲区中，由网络协议栈决定何时发送、如何发送。当对应的数据发送给接收端，接收端回应ACK，存储在发送缓冲区的这部分数据就可以删除了，但是，发送端并无法获取对应数据流的ACK情况，也就是说，发送端没有办法判断对端的接收方是否已经接收发送的数据流，如果需要知道这部分信息，就必须在应用层自己添加处理逻辑，例如显式的报文确认机制。

从接收端来说，也没有办法保证ACK过的数据部分可以被应用程序处理，因为数据需要接收端程序从接收缓冲区中拷贝，可能出现的状况是，已经ACK的数据保存在接收端缓冲区中，接收端处理程序突然崩溃了，这部分数据就没有办法被应用程序继续处理。

你有没有发现，TCP协议实现并没有提供给上层应用程序过多的异常处理细节，或者说，TCP协议反映链路异常的能力偏弱，这其实是有原因的。要知道，TCP诞生之初，就是为美国国防部服务的，考虑到军事作战的实际需要，TCP不希望暴露更多的异常细节，而是能够以无人值守、自我恢复的方式运作。

TCP连接建立之后，能感知TCP链路的方式是有限的，一种是以read为核心的读操作，另一种是以write为核心的写操作。接下来，我们就看下如何通过读写操作来感知异常情况，以及对应的处理方式。

故障模式总结

在实际情景中，我们会碰到各种异常的情况。在这里我把这几种异常情况归结为两大类：

第一类，是对端无FIN包发送出来的情况；第二类是对端有FIN包发送出来。而这两大类情况又可以根据应用程序的场景细分，接下来我们详细讨论。

网络中断造成的对端无FIN包

很多原因都会造成网络中断，在这种情况下，TCP程序并不能及时感知到异常信息。除非网络中的其他设备，如路由器发出一条ICMP报文，说明目的网络或主机不可达，这个时候通过read或write调用就会返回Unreachable的错误。

可惜大多数时候并不是如此，在没有ICMP报文的情况下，TCP程序并不能理解感应到连接异常。如果程序是阻塞在read调用上，那么很不幸，程序无法从异常中恢复。这显然是非常不合理的，不过，我们可以通过给read操作设置超时来解决，在接下来的第18讲中，我会讲到具体的方法。

如果程序先调用了write操作发送了一段数据流，接下来阻塞在read调用上，结果会非常不同。Linux系统的TCP协议栈会不断尝试将发送缓冲区的数据发送出去，大概在重传12次、合计时间约为9分钟之后，协议栈会标识该连接异常，这时，阻塞的read调用会返回一条TIMEOUT的错误信息。如果此时程序还执着地往这条连接写数据，写操作会立即失败，返回一个SIGPIPE信号给应用程序。

系统崩溃造成的对端无FIN包

当系统突然崩溃，如断电时，网络连接上来不及发出任何东西。这里和通过系统调用杀死应用程序非常不同的是，没有任何FIN包被发送出来。

这种情况和网络中断造成的结果非常类似，在没有ICMP报文的情况下，TCP程序只能通过read和write调用得到网络连接异常的信息，超时错误是一个常见的结果。

不过还有一种情况需要考虑，那就是系统在崩溃之后又重启，当重传的TCP分组到达重启后的系统，由于系统中没有该TCP分组对应的连接数据，系统会返回一个RST重置分节，TCP程序通过read或write调用可以分别对RST进行错误处理。

如果是阻塞的read调用，会立即返回一个错误，错误信息为连接重置（Connection Reset）。

如果是一次write操作，也会立即失败，应用程序会被返回一个SIGPIPE信号。

对端有FIN包发出

对端如果有FIN包发出，可能的场景是对端调用了close或shutdown显式地关闭了连接，也可能是对端应用程序崩溃，操作系统内核代为清理所发出的。从应用程序角度上看，无法区分是哪种情形。

阻塞的read操作在完成正常接收的数据读取之后，FIN包会通过返回一个EOF来完成通知，此时，read调用返回值为0。这里强调一点，收到FIN包之后read操作不会立即返回。你可以这样理解，收到FIN包相当于往接收缓冲区里放置了一个EOF符号，之前已经在接收缓冲区的有效数据不会受到影响。

为了展示这些特性，我分别编写了服务器端和客户端程序。

//服务端程序
int main(int argc, char **argv) {
    int connfd;
    char buf[1024];

    connfd = tcp_server(SERV_PORT);

    for (;;) {
        int n = read(connfd, buf, 1024);
        if (n < 0) {
            error(1, errno, "error read");
        } else if (n == 0) {
            error(1, 0, "client closed \n");
        }

        sleep(5);

        int write_nc = send(connfd, buf, n, 0);
        printf("send bytes: %zu \n", write_nc);
        if (write_nc < 0) {
            error(1, errno, "error write");
        }
    }

    exit(0);
}

服务端程序是一个简单的应答程序，在收到数据流之后回显给客户端，在此之前，休眠5秒，以便完成后面的实验验证。

客户端程序从标准输入读入，将读入的字符串传输给服务器端：

//客户端程序
int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: reliable_client01 <IPaddress>");
    }

    int socket_fd = tcp_client(argv[1], SERV_PORT);
    char buf[128];
    int len;
    int rc;

    while (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) != NULL) {
        len = strlen(buf);
        rc = send(socket_fd, buf, len, 0);
        if (rc < 0)
            error(1, errno, "write failed");
        rc = read(socket_fd, buf, sizeof(buf));
        if (rc < 0)
            error(1, errno, "read failed");
        else if (rc == 0)
            error(1, 0, "peer connection closed\n");
        else
            fputs(buf, stdout);
    }
    exit(0);
}

read直接感知FIN包

我们依次启动服务器端和客户端程序，在客户端输入good字符之后，迅速结束掉服务器端程序，这里需要赶在服务器端从睡眠中苏醒之前杀死服务器程序。

屏幕上打印出：peer connection closed。客户端程序正常退出。

$./reliable_client01 127.0.0.1
$ good
$ peer connection closed

这说明客户端程序通过read调用，感知到了服务端发送的FIN包，于是正常退出了客户端程序。

注意如果我们的速度不够快，导致服务器端从睡眠中苏醒，并成功将报文发送出来后，客户端会正常显示，此时我们停留，等待标准输入。如果不继续通过read或write操作对套接字进行读写，是无法感知服务器端已经关闭套接字这个事实的。

通过write产生RST，read调用感知RST

这一次，我们仍然依次启动服务器端和客户端程序，在客户端输入bad字符之后，等待一段时间，直到客户端正确显示了服务端的回应“bad”字符之后，再杀死服务器程序。客户端再次输入bad2，这时屏幕上打印出”peer connection closed“。

这是这个案例的屏幕输出和时序图。

$./reliable_client01 127.0.0.1
$bad
$bad
$bad2
$peer connection closed

在很多书籍和文章中，对这个程序的解读是，收到FIN包的客户端继续合法地向服务器端发送数据，服务器端在无法定位该TCP连接信息的情况下，发送了RST信息，当程序调用read操作时，内核会将RST错误信息通知给应用程序。这是一个典型的write操作造成异常，再通过read操作来感知异常的样例。

不过，我在Linux 4.4内核上实验这个程序，多次的结果都是，内核正常将EOF信息通知给应用程序，而不是RST错误信息。

我又在Max OS 10.13.6上尝试这个程序，read操作可以返回RST异常信息。输出和时序图也已经给出。

$./reliable_client01 127.0.0.1
$bad
$bad
$bad2
$read failed: Connection reset by peer (54)

向一个已关闭连接连续写，最终导致SIGPIPE

为了模拟这个过程，我对服务器端程序和客户端程序都做了如下修改。

nt main(int argc, char **argv) {
    int connfd;
    char buf[1024];
    int time = 0;

    connfd = tcp_server(SERV_PORT);

    while (1) {
        int n = read(connfd, buf, 1024);
        if (n < 0) {
            error(1, errno, "error read");
        } else if (n == 0) {
            error(1, 0, "client closed \n");
        }

        time++;
        fprintf(stdout, "1K read for %d \n", time);
        usleep(1000);
    }

    exit(0);
}

服务器端每次读取1K数据后休眠1秒，以模拟处理数据的过程。

客户端程序在第8行注册了SIGPIPE的信号处理程序，在第14-22行客户端程序一直循环发送数据流。

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: reliable_client02 <IPaddress>");
    }

    int socket_fd = tcp_client(argv[1], SERV_PORT);

    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

    char *msg = "network programming";
    ssize_t n_written;

    int count = 10000000;
    while (count > 0) {
        n_written = send(socket_fd, msg, strlen(msg), 0);
        fprintf(stdout, "send into buffer %ld \n", n_written);
        if (n_written <= 0) {
            error(1, errno, "send error");
            return -1;
        }
        count--;
    }
    return 0;
}

如果在服务端读取数据并处理过程中，突然杀死服务器进程，我们会看到客户端很快也会退出，并在屏幕上打印出“Connection reset by peer”的提示。

$./reliable_client02 127.0.0.1
$send into buffer 5917291
$send into buffer -1
$send: Connection reset by peer

这是因为服务端程序被杀死之后，操作系统内核会做一些清理的事情，为这个套接字发送一个FIN包，但是，客户端在收到FIN包之后，没有read操作，还是会继续往这个套接字写入数据。这是因为根据TCP协议，连接是双向的，收到对方的FIN包只意味着对方不会再发送任何消息。 在一个双方正常关闭的流程中，收到FIN包的一端将剩余数据发送给对面（通过一次或多次write），然后关闭套接字。

当数据到达服务器端时，操作系统内核发现这是一个指向关闭的套接字，会再次向客户端发送一个RST包，对于发送端而言如果此时再执行write操作，立即会返回一个RST错误信息。

你可以看到针对这个全过程的一张描述图，你可以参考这张图好好理解一下这个过程。

以上是在Linux 4.4内核上测试的结果。

在很多书籍和文章中，对这个实验的期望结果不是这样的。大部分的教程是这样说的：在第二次write操作时，由于服务器端无法查询到对应的TCP连接信息，于是发送了一个RST包给客户端，客户端第二次操作时，应用程序会收到一个SIGPIPE信号。如果不捕捉这个信号，应用程序会在毫无征兆的情况下直接退出。

我在Max OS 10.13.6上尝试这个程序，得到的结果确实如此。你可以看到屏幕显示和时序图。

#send into buffer 19 
#send into buffer -1 
#send error: Broken pipe (32)

这说明，Linux4.4的实现和类BSD的实现已经非常不一样了。限于时间的关系，我没有仔细对比其他版本的Linux，还不清楚是新的内核特性，但有一点是可以肯定的，我们需要记得为SIGPIPE注册处理函数，通过write操作感知RST的错误信息，这样可以保证我们的应用程序在Linux 4.4和Mac OS上都能正常处理异常。

总结

在这一讲中，我们意识到TCP并不是那么“可靠”的。我把故障分为两大类，一类是对端无FIN包，需要通过巡检或超时来发现；另一类是对端有FIN包发出，需要通过增强read或write操作的异常处理，帮助我们发现此类异常。

思考题

和往常一样，给大家布置两道思考题。

第一道，你不妨在你的Linux系统中重新模拟一下今天文章里的实验，看看运行结果是否和我的一样。欢迎你把内核版本和结果贴在评论里。

第二道题是，如果服务器主机正常关闭，已连接的程序会发生什么呢？

你不妨思考一下这两道题，欢迎你在评论区写下你的模拟结果和思考，我会和你一起交流，也欢迎把这篇文章分享给你的朋友或者同事，一起交流一下。