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TCP的ACK确认系列 — 发送状态转换机

作者：从前慢现在也慢 | 2024-07-25 05:04:09

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predicted tick of soft clock

主要内容：TCP的ACK发送方式，以及ACK发送状态转换机的实现。

内核版本：3.15.2

我的博客：http://blog.csdn.net/zhangskd

 

概述

 

TCP采用两种方式来发送ACK：快速确认和延迟确认。

在快速确认模式中，本端接收到数据包后，会立即发送ACK给对端。

在延迟确认模式中，本端接收到数据包后，不会立即发送ACK给对端，而是等待一段时间，如果在此期间：

1. 本端有数据包要发送给对端。就在发送数据包的时候捎带上此ACK，如此一来就节省了一个报文。

2. 本端没有数据包要发送给对端。延迟确认定时器会超时，然后发送纯ACK给对端。

 

在具体实现中，用pingpong来区分这两种模式：

icsk->icsk_ack.pingpong == 0，表示使用快速确认。

icsk->icsk_ack.pingpong == 1，表示使用延迟确认。

Q：那么问题来了，为什么用“乒乓球”来标志这两种模式？

A：我们知道打乒乓球时，球是双向来回跳动的。这比喻传输是双向的，你发送数据给我，我也发送数据给你，应用是交互型的。

在这种情况下，可以让数据包捎带ACK，以减少纯ACK的发送，降低不必要的流量开销。

如果不是“乒乓球模式”，即传输是单向的，一方只发送数据，另一方只接收数据。这种情况下，接收方因为没有数据要发送，

不能够捎带ACK，所以不能使用延迟确认，应该使用快速确认。

以上只是为了说明pingpong的含义，在实际中到底使用哪种模式，还会受到其它因素的影响。

 

总的来说，快速确认模式是用于比较紧急的场景，此时需要立即通知对端，比如收到异常的数据报、接收窗口显著增大了。

延迟确认模式则希望通过减少纯ACK的发送，来降低不必要的流量开销，所以此时要求数据的传输是双向的。

在实际的传输过程中，会根据当时的场景来判断是使用快速确认模式还是延迟确认模式，因此ACK的发送模式并不是

固定的，而是在这两种模式之间动态切换。

 

Q：什么时候进行快速确认？

(1) 接收到数据包，检查是否需要发送ACK时 (__tcp_ack_snd_check)：

1. 接收缓冲区中有一个以上的全尺寸数据段仍然是NOT ACKed，并且接收窗口变大了。

    所以一般收到了两个数据包后，会发送ACK，而不是对每个数据包都进行确认。

2.  接收到数据包时，处于快速确认模式中。

3. 接收到数据包时，乱序队列不为空。

 

(2) 当接收队列中有数据复制到用户空间时，会判断是否要立即发送ACK (tcp_clean_rbuf)：

 如果现在有ACK需要发送，满足以下条件之一，就可以立即发送：

1. icsk->icsk_ack.blocked为1，之前有Delayed ACK被用户进程阻塞了。

2. 接收缓冲区中有一个以上的全尺寸数据段仍然是NOT ACKed (所以经常是收到2个全尺寸段后发送ACK)

3. 本次复制到用户空间的数据量大于0，且满足以下条件之一：

    3.1 设置了ICSK_ACK_PUSHED2标志

    3.2 设置了ICSK_ACK_PUSHED标志，且处于快速确认模式中

 如果原来没有ACK需要发送，但是现在的接收窗口显著增大了，也需要立即发送ACK通知对端。

这里的显著增大是指：新的接收窗口大小不为0，且比原来接收窗口的剩余量增大了一倍。

 

(3) 接收到数据包的事件处理 (tcp_event_data_recv)：数据包含有路由器的显式拥塞通知，进入快速确认模式。

(4) 设置TCP_QUICKACK选项之后：进入快速确认模式，并立即发送一个ACK。

(5) 如果接收到的段有负荷，且其中一部分之前已经接收过了，则认为是Delayed ACK丢失，进入快速确认模式。

 

Q：什么时候进行延迟确认？

1. 快速确认模式中的ACK额度用完了，一般在快速确认了半个接收窗口的数据后，进入延迟确认模式。

2. 发送ACK时，因为内存分配失败，启动延迟确认定时器。

3. 接收到数据包，检查是否需要发送ACK时(__tcp_ack_snd_check)，如果无法进行快速确认。

4. 使用TCP_QUICKACK选项禁用快速确认，设置的值为0。

 

数据结构

 

icsk->icsk_ack中的变量，用于控制快速确认和延迟确认。

  1. struct inet_connection_sock {
  2.     ...
  3.     struct {
  4.         /* ACK is pending.
  5.          * ACK的发送状态标志，可以表示四种情况：
  6.          * 1. ICSK_ACK_SCHED：目前有ACK需要发送
  7.          * 2. ICSK_ACK_TIMER：延迟确认定时器已经启动
  8.          * 3. ICSK_ACK_PUSHED：如果处于快速确认模式，允许立即发送ACK
  9.          * 4. ICSK_ACK_PUSHED2：无论是否处于快速确认模式，都可以立即发送ACK
  10.          */
  11.         __u8 pending; 
  12.  
  13.         /* Scheduled number of quick acks.
  14.          * 快速确认模式下，最多能够发送多少个ACK，额度用完以后就退出快速确认模式。
  15.          */
  16.         __u8 quick; 
  17.  
  18.         /* The session is interactive.
  19.          * 值为1时，为延迟确认模式；值为0时，为快速确认模式。
  20.          * 注意这个标志是不是永久性的，而是动态变更的。
  21.          */
  22.         __u8 pingpong;
  23.  
  24.         /* Delayed ACK was blocked by socket lock.
  25.          * 如果延迟确认定时器触发时，发现socket被用户进程锁住，就把blocked置为1。
  26.          * 之后在接收到新数据、或者将数据复制到用户空间之后、或者再次超时时，会马上发送ACK。
  27.          */
  28.         __u8 blocked;
  29.  
  30.         /* Predicted tick of soft clock.
  31.          * ACK的超时时间，是一个中间变量，根据接收到数据包的时间间隔来动态调整。
  32.          * 用来计算延迟确认定时器的超时时间timeout。
  33.          */
  34.         __u32 ato; 
  35.  
  36.         /* Currently scheduled timeout.
  37.          * 延迟确认定时器的超时时刻。
  38.          */
  39.         unsigned long timeout; 
  40.  
  41.         /* timestamp of last incoming segment.
  42.          * 最后一次收到带负荷的报文的时间点。
  43.          */
  44.         __u32 lrcvtime;
  45.         __u16 last_seg_size; /* Size of last incoming segment */
  46.         __u16 rcv_mss; /* MSS used for delayed ACK decisions */
  47.     } icsk_ack;
  48.     ...
  49. };

 

icsk.icsk_ack.pending是ACK的发送状态标志，用于表示是否有ACK需要发送，以及发送的紧急程度。

  1. enum inet_csk_ack_state_t {
  2.     ICSK_ACK_SCHED = 1,    /* 有ACK需要发送 */
  3.     ICSK_ACK_TIMER = 2,     /* 延迟确认定时器已经启动 */
  4.     ICSK_ACK_PUSHED = 4,   /* 如果处于快速发送模式，允许立即发送ACK */
  5.     ICSK_ACK_PUSHED2 = 9    /* 无论是否处于快速发送模式，都可以立即发送ACK */
  6. };

 

以下是ACK发送状态的转换图：

 

 

 

 

ACK的发送状态转换

 

接收到数据报后，会调用tcp_event_data_recv()，设置ICSK_ACK_SCHED标志来表明有ACK需要发送。

如果接收到了小包，说明对端很可能暂时没有数据需要发送了，此时会设置ICSK_ACK_PUSHED标志，

如果处于快速路径中，就允许马上发送ACK。如果不止一次接收到小包，就设置ICSK_ACK_PUSHED2

标志，不管是否处于快速路径中，都允许立即发送ACK，以强调发送ACK的紧急程度。

 

同时根据距离上次接收到数据报的时间间隔，来动态调整icsk->icsk_ack.ato：

1. delta <= TCP_ATO_MIN /2时，ato = ato / 2 + TCP_ATO_MIN / 2。

2. TCP_ATO_MIN / 2 < delta <= ato时，ato = min(ato / 2 + delta, rto)。

3. delta > ato时，ato值不变。

如果接收到的数据包的时间间隔变小，ato也会相应的变小。

如果接收到的数据包的时间间隔变大，ato也会相应的变大。

 

inet_csk_schedule_ack()用于设置ICSK_ACK_SCHED标志位，表示有ACK需要发送。

  1. static inline void inet_csk_schedule_ack (struct sock *sk)
  2. {
  3.     inet_csk(sk)->icsk_ack.pending |= ICSK_ACK_SCHED;
  4. }
  1. static void tcp_event_data_recv (struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
  2. {
  3.     struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
  4.     struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
  5.     u32 now;
  6.  
  7.     inet_csk_schedule_ack(sk); /* 设置有ACK需要发送的标志 */
  8.  
  9.     /* 通过接收到的数据段，来估算对端的MSS。
  10.      * 如果接收到了小包，则设置ICSK_ACK_PUSHED标志。
  11.      * 如果之前接收过小包，本次又接收到了小包，则设置ICSK_ACK_PUSHED2标志。
  12.      */
  13.     tcp_measure_rcv_mss(sk, skb); 
  14.  
  15.     tcp_rcv_rtt_measure(tp); /* 没有使用时间戳选项时的接收端RTT计算 */
  16.  
  17.     now = tcp_time_stamp;
  18.  
  19.     /* 如果是第一次接收到带负荷的报文 */
  20.     /* The first data packet received, initialize delayed ACK engine. */
  21.     if (! icsk->icsk_ack.ato) {
  22.         tcp_incr_quickack(sk); /* 设置在快速确认模式中可以发送的ACK数量 */
  23.         icsk->icsk_ato.ato = TCP_ATO_MIN; /* ato的初始值，为40ms */
  24.  
  25.     } else {
  26.         int m = now - icsk->icsk_ack.lrcvtime; /* 距离上次收到数据报的时间间隔 */
  27.  
  28.         /* The fastest case is the first. */
  29.         if (m <= TCP_ATO_MIN / 2) {
  30.             icsk->icsk_ack.ato = (icsk->icsk_ack.ato >> 1) + TCP_ATO_MIN / 2;
  31.  
  32.         } else if (m < icsk->icsk_ack.ato) {
  33.             icsk->icsk_ack.ato = (icsk->icsk_ack.ato >> 1) + m;
  34.             /* ato的值不能超过RTO */
  35.             if (icsk->icsk_ack.ato > icsk->icsk_rto)
  36.                 icsk->icsk_ack.ato = icsk->icsk_rto;
  37.  
  38.         } else if (m > icsk->icsk_rto) {
  39.             /* Too long gap. Apparently sender failed to restart window,
  40.              * so that we send ACKs quickly.
  41.              */
  42.              tcp_incr_quickack(sk); /* 更新在快速确认模式中可以发送的ACK数量 */
  43.              sk_mem_reclaim(sk);
  44.         }
  45.     }
  46.  
  47.  
  48.     icsk->icsk_ack.lrcvtime = now; /* 更新最后一次接收到数据报的时间 */
  49.  
  50.     TCP_ECN_check_ce(tp, skb); /* 如果发现显示拥塞了，就进入快速确认模式 */
  51.  
  52.     /* 当报文段的负荷不小于128字节时，考虑增大接收窗口当前阈值 */
  53.     if (skb->len >= 128)
  54.         tcp_grow_window(sk, skb); /* 根据接收到的数据段的大小，来调整接收窗口的阈值rcv_ssthresh */
  55. }

如果接收到路由器的显式拥塞通知，就进入快速确认模式。

  1. static inline void TCP_ECN_check_ce (struct tcp_sock *tp, const struct sk_buff *skb)
  2. {
  3.     /* 如果连接不支持ECN */
  4.     if (! (tp->ecn_flags & TCP_ECN_OK))
  5.         return;
  6.  
  7.     switch (TCP_SKB_CB(skb)->ip_dsfield & INET_ECN_MASK) {
  8.     case INET_ECN_NOT_ECT: /* IP层不支持ECN */
  9.         /* If ECT is not set on a segment, and we already seen ECT on a previous segment,
  10.          * it is probably a retransmit.
  11.         */
  12.         if (tp->ecn_flags & TCP_ECN_SEEN)
  13.             tcp_enter_quickack_mode((struct sock *tp); / 进入快速确认模式 */
  14.         break;
  15.  
  16.     case INET_ECN_CE: /* 数据包携带拥塞标志 */
  17.         if (! (tp->ecn_flags & TCP_ECN_DEMAND_CWR)) {
  18.             /* Better not delay acks, sender can have a very low cwnd */
  19.             tcp_enter_quickack_mode((struct sock *) tp); /* 进入快速确认模式 */
  20.             tp->ecn_flags |= TCP_ECN_DEMAND_CWR; /* 用于让对端感知拥塞的标志 */
  21.         }
  22.         /* fallinto */
  23.     default:
  24.         tp->ecn_flags |= TCP_ECN_SEEN;
  25.     }
  26. }

通过接收到的数据段长度，来估算对端的MSS。

如果接收到了小包，则设置ICSK_ACK_PUSHED标志。

如果之前接收过小包，本次又接收到了小包，则设置ICSK_ACK_PUSHED2标志。

  1. static void tcp_measure_rcv_mss (struct sock *sk, const struct sk_buff *skb)
  2. {
  3.     struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
  4.     const unsigned int lss = icsk->icsk_ack.last_seg_size; /* 上次收到的数据段大小 */
  5.     unsigned int len;
  6.  
  7.     icsk->icsk_ack.last_seg_size = 0;
  8.  
  9.     len = skb_shinfo(skb)->gso_size ?: skb->len; /* 本次接收到数据的长度 */
  10.  
  11.     /* 如果本次接收到数据的长度，大于当前发送方的MSS */
  12.     if (len >= icsk->icsk_ack.rcv_mss) {
  13.         icsk->icsk_ack.rcv_mss = len; /* 更新发送方的MSS */
  14.  
  15.     } else {
  16.         /* Otherwise, we make more careful check taking into account,
  17.          * that SACKs block is variable.
  18.          * "len" is invariant segment length, including TCP header.
  19.          */
  20.         /* 之前的len表示数据的长度，现在加上TCP首部的长度，这才是总的长度 */
  21.         len += skb->data - skb_transport_header(skb);
  22.  
  23.         /* 满足以下条件时，说明接收到的数据段还是比较正常的，尝试更精确的计算MSS，
  24.          * 排除SACK块的影响，更新last_seg_size和rcv_mss。
  25.          */
  26.         /* If PSH is not set, packet should be full sized, provided peer TCP is not badly broken.
  27.          * This observation (if it is correct 8)) allows to handle super-low mtu links fairly.
  28.          */
  29.         if (len >= TCP_MSS_DEFAULT + sizeof(struct tcphdr) || 
  30.             (len >= TCP_MIN_MSS + sizeof(struct tcphdr) && 
  31.               ! (tcp_flag_word(tcp_hdr(skb)) & TCP_PEMNANT))) {
  32.             /* Subtract also invariant (if peer is RFC compliant),
  33.              * tcp header plus fixed timestamp option length.
  34.              * Resulting len is MSS free of SACK jitter.
  35.              */
  36.             /* 减去报头和时间戳选项的长度，剩下的就是数据和SACK块(如果有的话) */
  37.             len -= tcp_sk(sk)->tcp_header_len;
  38.  
  39.             icsk->icsk_ack.last_seg_size = len; /* 更新最近一次接收到的数据段的长度 */
  40.  
  41.             /* 说明这次收到的还是full-sized，而不是小包 */
  42.             if (len == lss) {
  43.                 icsk->icsk_ack.rcv_mss = len;
  44.                 return;
  45.             }
  46.         }
  47.        
  48.         /* 如果之前已经收到了小包，则进入更紧急的ACK发送模式，接下来无论是否处于快速确认模式，
  49.          * 都可以马上发送ACK。
  50.          */
  51.         if (icsk->icsk_ack.pending & ICSK_ACK_PUSHED)
  52.             icsk->icsk_ack.pending |= ICSK_ACK_PUSHED2;
  53.  
  54.         /* 如果收到小包，就允许在快速确认模式中，直接发送ACK */
  55.         icsk->icsk_ack.pending |= ICSK_ACK_PUSHED;
  56.     }
  57. }
  58.  
  59. #define TCP_MSS_DEFAULT 536U
  60. #define TCP_MIN_MSS 88U /* Minimal accepted MSS. It is (60+60+8) - (20+20). */

 

ACK的发送状态清除

 

当成功发送ACK时，会删除延迟确认定时器，同时清零ACK的发送状态标志icsk->icsk_ack.pending。

  1. static int tcp_transmit_skb (struct sock *sk, struct sk_buff *skb, int clone_it, gfp_t gfp_mask)
  2. {
  3.     ...
  4.     if (likely(tcb->tcp_flags & TCPHDR_ACK))
  5.         tcp_event_ack_sent(sk, tcp_skb_pcount(skb)); /* ACK发送事件的处理 */
  6.     ...
  7. }

ACK发送事件主要做了：更新快速确认模式中的ACK额度，删除ACK延迟定时器，清零icsk->icsk_ack.pending。

  1. /* Account for an ACK we sent. */
  2. static inline void tcp_event_ack_sent (struct sock *sk, unsigned int pkts)
  3. {
  4.     tcp_dec_quickack_mode(sk, pkts); /* 更新快速确认模式的ACK额度 */
  5.     inet_csk_clear_xmit_timer(sk, ICSK_TIME_DACK); /* 删除ACK延迟定时器 */
  6. }

在快速确认模式中，可以发送的ACK数量是有限制的，具体额度为icsk->icsk_ack.quick。

当额度用完时，就进入延迟确认模式。

  1. static inline void tcp_dec_quickack_mode (struct sock *sk, const unsigned int pkts)
  2. {
  3.     struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
  4.  
  5.     if (icsk->icsk_ack.quick) { /* 如果额度不为0 */
  6.         if (pkts >= icsk->icsk_ack.quick) {
  7.             icsk->icsk_ack.quick = 0;
  8.             /* Leaving quickack mode we deflate ATO. */
  9.             icsk->icsk_ack.ato = TCP_ATO_MIN;
  10.         } else
  11.             icsk->icsk_ack.quick -= pkts;
  12.     }
  13. }

 

转载于:https://www.cnblogs.com/aiwz/p/6333258.html

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