4.21 用了 TCP 协议，数据一定不会丢吗？
4.21 用了 TCP 协议，数据一定不会丢吗？
来源：公众号@小白 debug
原文地址：用了 TCP 协议，数据一定不会丢吗？
大家后，我是小林。
问大家一句：TCP 是一个可靠的传输协议，那它一定能保证数据不丢失吗？
这次，就跟大家探讨这个问题。
数据包的发送流程
首先，我们两个手机的绿皮聊天软件客户端，要通信，中间会通过它们家服务器。大概长这样。
但为了简化模型，我们把中间的服务器给省略掉，假设这是个端到端的通信。且为了保证消息的可靠性，我们盲猜它们之间用的是TCP 协议进行通信。
为了发送数据包，两端首先会通过三次握手，建立 TCP 连接。
一个数据包，从聊天框里发出，消息会从聊天软件所在的用户空间拷贝到内核空间的发送缓冲区（send buffer），数据包就这样顺着传输层、网络层，进入到数据链路层，在这里数据包会经过流控（qdisc），再通过 RingBuffer 发到物理层的网卡。数据就这样顺着网卡发到了纷繁复杂的网络世界里。这里头数据会经过 n 多个路由器和交换机之间的跳转，最后到达目的机器的网卡处。
此时目的机器的网卡会通知DMA将数据包信息放到RingBuffer中，再触发一个硬中断给CPU，CPU触发软中断让ksoftirqd去RingBuffer收包，于是一个数据包就这样顺着物理层，数据链路层，网络层，传输层，最后从内核空间拷贝到用户空间里的聊天软件里。
画了那么大一张图，只水了 200 字做解释，我多少是有些心痛的。
到这里，抛开一些细节，大家大概知道了一个数据包从发送到接收的宏观过程。
可以看到，这上面全是密密麻麻的名词。
整条链路下来，有不少地方可能会发生丢包。
但为了不让大家保持蹲姿太久影响身体健康，我这边只重点讲下几个常见容易发生丢包的场景。
建立连接时丢包
TCP 协议会通过三次握手建立连接。大概长下面这样。
在服务端，第一次握手之后，会先建立个半连接，然后再发出第二次握手。这时候需要有个地方可以暂存这些半连接。这个地方就叫半连接队列。
如果之后第三次握手来了，半连接就会升级为全连接，然后暂存到另外一个叫全连接队列的地方，坐等程序执行accept()方法将其取走使用。
是队列就有长度，有长度就有可能会满，如果它们满了，那新来的包就会被丢弃。
可以通过下面的方式查看是否存在这种丢包行为。
# 全连接队列溢出次数
# netstat -s | grep overflowed
4343 times the listen queue of a socket overflowed
# 半连接队列溢出次数
# netstat -s | grep -i "SYNs to LISTEN sockets dropped"
109 times the listen queue of a socket overflowed
从现象来看就是连接建立失败。
流量控制丢包
应用层能发网络数据包的软件有那么多，如果所有数据不加控制一股脑冲入到网卡，网卡会吃不消，那怎么办？让数据按一定的规则排个队依次处理，也就是所谓的qdisc(Queueing Disciplines，排队规则)，这也是我们常说的流量控制机制。
排队，得先有个队列，而队列有个长度。
我们可以通过下面的ifconfig命令查看到，里面涉及到的txqueuelen后面的数字1000，其实就是流控队列的长度。
当发送数据过快，流控队列长度txqueuelen又不够大时，就容易出现丢包现象。
可以通过下面的ifconfig命令，查看 TX 下的 dropped 字段，当它大于 0 时，则有可能是发生了流控丢包。
# ifconfig eth0
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1500
inet 172.21.66.69 netmask 255.255.240.0 broadcast 172.21.79.255
inet6 fe80::216:3eff:fe25:269f prefixlen 64 scopeid 0x20<link>
ether 00:16:3e:25:26:9f txqueuelen 1000 (Ethernet)
RX packets 6962682 bytes 1119047079 (1.0 GiB)
RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0
TX packets 9688919 bytes 2072511384 (1.9 GiB)
TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0
当遇到这种情况时，我们可以尝试修改下流控队列的长度。比如像下面这样将 eth0 网卡的流控队列长度从 1000 提升为 1500.
# ifconfig eth0 txqueuelen 1500
网卡丢包
网卡和它的驱动导致丢包的场景也比较常见，原因很多，比如网线质量差，接触不良。除此之外，我们来聊几个常见的场景。
RingBuffer 过小导致丢包
上面提到，在接收数据时，会将数据暂存到RingBuffer接收缓冲区中，然后等着内核触发软中断慢慢收走。如果这个缓冲区过小，而这时候发送的数据又过快，就有可能发生溢出，此时也会产生丢包。
我们可以通过下面的命令去查看是否发生过这样的事情。
# ifconfig
eth0: RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0
查看上面的overruns指标，它记录了由于RingBuffer长度不足导致的溢出次数。
当然，用ethtool命令也能查看。
# ethtool -S eth0|grep rx_queue_0_drops
但这里需要注意的是，因为一个网卡里是可以有多个 RingBuffer的，所以上面的rx_queue_0_drops里的 0 代表的是第 0 个 RingBuffer的丢包数，对于多队列的网卡，这个 0 还可以改成其他数字。但我的家庭条件不允许我看其他队列的丢包数，所以上面的命令对我来说是够用了。。。
当发现有这类型丢包的时候，可以通过下面的命令查看当前网卡的配置。
#ethtool -g eth0
Ring parameters for eth0:
Pre-set maximums:
RX: 4096
RX Mini: 0
RX Jumbo: 0
TX: 4096
Current hardware settings:
RX: 1024
RX Mini: 0
RX Jumbo: 0
TX: 1024
上面的输出内容，含义是RingBuffer 最大支持 4096 的长度，但现在实际只用了 1024。
想要修改这个长度可以执行ethtool -G eth1 rx 4096 tx 4096将发送和接收 RingBuffer 的长度都改为 4096。
RingBuffer增大之后，可以减少因为容量小而导致的丢包情况。
网卡性能不足
网卡作为硬件，传输速度是有上限的。当网络传输速度过大，达到网卡上限时，就会发生丢包。这种情况一般常见于压测场景。
我们可以通过ethtool加网卡名，获得当前网卡支持的最大速度。
# ethtool eth0
Settings for eth0:
Speed: 10000Mb/s
可以看到，我这边用的网卡能支持的最大传输速度speed=1000Mb/s。
也就是俗称的千兆网卡，但注意这里的单位是Mb，这里的b 是指 bit，而不是 Byte。1Byte=8bit。所以 10000Mb/s 还要除以 8，也就是理论上网卡最大传输速度是1000/8 = 125MB/s。
我们可以通过sar命令从网络接口层面来分析数据包的收发情况。
# sar -n DEV 1
Linux 3.10.0-1127.19.1.el7.x86_64 2022年07月27日 _x86_64_ (1 CPU)
08时35分39秒 IFACE rxpck/s txpck/s rxkB/s txkB/s rxcmp/s txcmp/s rxmcst/s
08时35分40秒 eth0 6.06 4.04 0.35 121682.33 0.00 0.00 0.00
其中 txkB/s 是指当前每秒发送的字节（byte）总数，rxkB/s 是指每秒接收的字节（byte）总数。
当两者加起来的值约等于12~13w字节的时候，也就对应大概125MB/s的传输速度。此时达到网卡性能极限，就会开始丢包。
遇到这个问题，优先看下你的服务是不是真有这么大的真实流量，如果是的话可以考虑下拆分服务，或者就忍痛充钱升级下配置吧。
接收缓冲区丢包
我们一般使用TCP socket进行网络编程的时候，内核都会分配一个发送缓冲区和一个接收缓冲区。
当我们想要发一个数据包，会在代码里执行send(msg)，这时候数据包并不是一把梭直接就走网卡飞出去的。而是将数据拷贝到内核发送缓冲区就完事返回了，至于什么时候发数据，发多少数据，这个后续由内核自己做决定。
而接收缓冲区作用也类似，从外部网络收到的数据包就暂存在这个地方，然后坐等用户空间的应用程序将数据包取走。
这两个缓冲区是有大小限制的，可以通过下面的命令去查看。
# 查看接收缓冲区
# sysctl net.ipv4.tcp_rmem
net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 6291456
# 查看发送缓冲区
# sysctl net.ipv4.tcp_wmem
net.ipv4.tcp_wmem = 4096 16384 4194304
不管是接收缓冲区还是发送缓冲区，都能看到三个数值，分别对应缓冲区的最小值，默认值和最大值（min、default、max）。缓冲区会在 min 和 max 之间动态调整。
那么问题来了，如果缓冲区设置过小会怎么样？
对于发送缓冲区，执行 send 的时候，如果是阻塞调用，那就会等，等到缓冲区有空位可以发数据。
如果是非阻塞调用，就会立刻返回一个 EAGAIN 错误信息，意思是 Try again。让应用程序下次再重试。这种情况下一般不会发生丢包。
当接受缓冲区满了，事情就不一样了，它的 TCP 接收窗口会变为 0，也就是所谓的零窗口，并且会通过数据包里的win=0，告诉发送端，"球球了，顶不住了，别发了"。一般这种情况下，发送端就该停止发消息了，但如果这时候确实还有数据发来，就会发生丢包。
我们可以通过下面的命令里的TCPRcvQDrop查看到有没有发生过这种丢包现象。
cat /proc/net/netstat
TcpExt: SyncookiesSent TCPRcvQDrop SyncookiesFailed
TcpExt: 0 157 60116
但是说个伤心的事情，我们一般也看不到这个TCPRcvQDrop，因为这个是5.9版本里引入的打点，而我们的服务器用的一般是2.x~3.x左右版本。你可以通过下面的命令查看下你用的是什么版本的 linux 内核。
# cat /proc/version
Linux version 3.10.0-1127.19.1.el7.x86_64
两端之间的网络丢包
前面提到的是两端机器内部的网络丢包，除此之外，两端之间那么长的一条链路都属于外部网络，这中间有各种路由器和交换机还有光缆啥的，丢包也是很经常发生的。
这些丢包行为发生在中间链路的某些个机器上，我们当然是没权限去登录这些机器。但我们可以通过一些命令观察整个链路的连通情况。
ping 命令查看丢包
比如我们知道目的地的域名是 baidu.com。想知道你的机器到 baidu 服务器之间，有没有产生丢包行为。可以使用 ping 命令。
倒数第二行里有个100% packet loss，意思是丢包率 100%。
但这样其实你只能知道你的机器和目的机器之间有没有丢包。
那如果你想知道你和目的机器之间的这条链路，哪个节点丢包了，有没有办法呢？
有。
mtr 命令
mtr 命令可以查看到你的机器和目的机器之间的每个节点的丢包情况。
像下面这样执行命令。
其中 -r 是指 report，以报告的形式打印结果。
可以看到Host那一列，出现的都是链路中间每一跳的机器，Loss的那一列就是指这一跳对应的丢包率。
需要注意的是，中间有一些是 host 是???，那个是因为mtr 默认用的是 ICMP 包，有些节点限制了ICMP 包，导致不能正常展示。
我们可以在 mtr 命令里加个-u，也就是使用udp 包，就能看到部分？??对应的 IP。
把ICMP 包和 UDP 包的结果拼在一起看，就是比较完整的链路图了。
还有个小细节，Loss那一列，我们在 icmp 的场景下，关注最后一行，如果是 0%，那不管前面 loss 是 100% 还是 80% 都无所谓，那些都是节点限制导致的虚报。
但如果最后一行是 20%，再往前几行都是 20% 左右，那说明丢包就是从最接近的那一行开始产生的，长时间是这样，那很可能这一跳出了点问题。如果是公司内网的话，你可以带着这条线索去找对应的网络同事。如果是外网的话，那耐心点等等吧，别人家的开发会比你更着急。
发生丢包了怎么办
说了这么多。只是想告诉大家，丢包是很常见的，几乎不可避免的一件事情。
但问题来了，发生丢包了怎么办？
这个好办，用TCP 协议去做传输。
建立了 TCP 连接的两端，发送端在发出数据后会等待接收端回复ack包，ack包的目的是为了告诉对方自己确实收到了数据，但如果中间链路发生了丢包，那发送端会迟迟收不到确认 ack，于是就会进行重传。以此来保证每个数据包都确确实实到达了接收端。
假设现在网断了，我们还用聊天软件发消息，聊天软件会使用 TCP 不断尝试重传数据，如果重传期间网络恢复了，那数据就能正常发过去。但如果多次重试直到超时都还是失败，这时候你将收获一个红色感叹号。
这时候问题又来了。
假设某绿皮聊天软件用的就是 TCP 协议。
在聊天的时候，发生丢包了，丢包了会重试，重试失败了还会出现红色感叹号。
于是乎，问题就变成了，用了 TCP 协议，就一定不会丢包吗？
用了 TCP 协议就一定不会丢包吗
我们知道 TCP 位于传输层，在它的上面还有各种应用层协议，比如常见的 HTTP 或者各类 RPC 协议。
TCP 保证的可靠性，是传输层的可靠性。也就是说，TCP 只保证数据从 A 机器的传输层可靠地发到 B 机器的传输层。
至于数据到了接收端的传输层之后，能不能保证到应用层，TCP 并不管。
假设现在，我们输入一条消息，从聊天框发出，走到传输层 TCP 协议的发送缓冲区，不管中间有没有丢包，最后通过重传都保证发到了对方的传输层 TCP 接收缓冲区，此时接收端回复了一个ack，发送端收到这个ack后就会将自己发送缓冲区里的消息给扔掉。到这里 TCP 的任务就结束了。
TCP 任务是结束了，但聊天软件的任务没结束。
聊天软件还需要将数据从 TCP 的接收缓冲区里读出来，如果在读出来这一刻，手机由于内存不足或其他各种原因，导致软件崩溃闪退了。
发送端以为自己发的消息已经发给对方了，但接收端却并没有收到这条消息。
于是乎，消息就丢了。
虽然概率很小，但它就是发生了。
合情合理，逻辑自洽。
这类丢包问题怎么解决？
故事到这里也到尾声了，感动之余，我们来聊点掏心窝子的话。
其实前面说的都对，没有一句是假话。
但某绿皮聊天软件这么成熟，怎么可能没考虑过这一点呢。
大家应该还记得我们文章开头提到过，为了简单，就将服务器那一方给省略了，从三端通信变成了两端通信，所以才有了这个丢包问题。
现在我们重新将服务器加回来。
大家有没有发现，有时候我们在手机里聊了一大堆内容，然后登录电脑版，它能将最近的聊天记录都同步到电脑版上。也就是说服务器可能记录了我们最近发过什么数据，假设每条消息都有个 id，服务器和聊天软件每次都拿最新消息的 id进行对比，就能知道两端消息是否一致，就像对账一样。
对于发送方，只要定时跟服务端的内容对账一下，就知道哪条消息没发送成功，直接重发就好了。
如果接收方的聊天软件崩溃了，重启后跟服务器稍微通信一下就知道少了哪条数据，同步上来就是了，所以也不存在上面提到的丢包情况。
可以看出，TCP 只保证传输层的消息可靠性，并不保证应用层的消息可靠性。如果我们还想保证应用层的消息可靠性，就需要应用层自己去实现逻辑做保证。
那么问题叒来了，两端通信的时候也能对账，为什么还要引入第三端服务器？
主要有三个原因。
- 第一，如果是两端通信，你聊天软件里有
1000个好友，你就得建立1000个连接。但如果引入服务端，你只需要跟服务器建立1个连接就够了，聊天软件消耗的资源越少，手机就越省电。 - 第二，就是安全问题，如果还是两端通信，随便一个人找你对账一下，你就把聊天记录给同步过去了，这并不合适吧。如果对方别有用心，信息就泄露了。引入第三方服务端就可以很方便的做各种鉴权校验。
- 第三，是软件版本问题。软件装到用户手机之后，软件更不更新就是由用户说了算了。如果还是两端通信，且两端的软件版本跨度太大，很容易产生各种兼容性问题，但引入第三端服务器，就可以强制部分过低版本升级，否则不能使用软件。但对于大部分兼容性问题，给服务端加兼容逻辑就好了，不需要强制用户更新软件。
所以看到这里大家应该明白了，我把服务端去掉，并不单纯是为了简单。
总结
- 数据从发送端到接收端，链路很长，任何一个地方都可能发生丢包，几乎可以说丢包不可避免。
- 平时没事也不用关注丢包，大部分时候 TCP 的重传机制保证了消息可靠性。
- 当你发现服务异常的时候，比如接口延时很高，总是失败的时候，可以用 ping 或者 mtr 命令看下是不是中间链路发生了丢包。
- TCP 只保证传输层的消息可靠性，并不保证应用层的消息可靠性。如果我们还想保证应用层的消息可靠性，就需要应用层自己去实现逻辑做保证。