LWIP TCP 报文基础
TCP协议（Transmission Control Protocol）传输控制协议在LWIP协议栈中占据了大半的代码，它是最常见的传输层协议，也是最稳定的传输层协议，很多上层应用都是依赖 TCP 协议进程传输数据，如 SMTP，FTP 等等。 TCP 协议简介
TCP 与 UDP 一样，都是传输层的协议，但是提供的服务却不相同，UDP 为上层应用提供的是一种不可靠的，无连接的服务，而 TCP 提供一种面向连接，可靠的字节传输服务，TCP 让两个主机建立连接的关系，应用数据以数据流的形式进行传输，先后发出的数据在网络中虽然也是互不干扰的传输，但是这些数据本身携带的信息确实紧密联系的，TCP 协议会给每个传输的字号进行编号，当然了，两个主机方向上的数据编号是彼此独立的，在传输的过程中，发送方把数据的起始编号与长度放在 TCP 报文中，接收方将所有数据按照编号组装起来，然后返回一个确认，当所有的数据接收完成后才将数据递交到应用层。 TCP 报文段结构
TCP 报文段依赖 IP 协议进行发送，因此 TCP 报文段与 ICMP 报文 一样，都是封装在 IP 数据报文中，IP 数据报封装在以太网帧中，因此 TCP 报文段也是经过 了两次的封装，然后发送出去,报文结构如下：
tcp_protocol
源端口（Source Port），16 位。
目的端口（Destination Port），16 位。
序列号 (Sequence Numbe) 发送数据包中的第一个字节的，32 位。TCP 协议是基于流发送数据的，所有使用序号给发送的所有数据字节都编上号，并按照序号进行顺序发送。
确认序列号 (Acknowledgment Number)，32 位。TCP 的通信是全双工的（两端同时发送和接受），当连接建立成功后，每一方都能同时发送和接收数据。每一个方向的序号代表这个报文段携带的第一个字节数据的编号。每一方还需要使用确认号对它已经收到的字节进行确认。即：本端把收到的最后一个字节的编号加一，这个值就是确认号，然后发送给对端。
数据偏移 (Data Offset)，4 位，该字段的值是 TCP 首部（包括选项）长度除以 4。
标志位：6 位，URG 表示紧急指针（Urgent Pointer）字段有意义，ACK 表示确认序（Acknowledgment Number）字段有意义；TCP 规定，只有 ACK=1 时有效，也规定连接建立后所有发送的报文的 ACK 必须为1 。PSH 表示 Push 功能，推送数据。RST 表示复位 TCP 连接 SYN 表示 SYN 报文，在建立 TCP 连接的时候使用，用来同步序号。当 SYN=1 而 ACK=0 时，表明这是一个连接请求报文。对方若同意建立连接，则应在响应报文中使 SYN=1 和 ACK=1。因此, SYN 置 1 就表示这是一个连接请求或连接接受报文。FIN 表示没有数据需要发送了，终止连接。在关闭 TCP 连接的时候使用，用来释放一个连接。当 FIN = 1 时，表明此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放连接。
窗口（Window）表示接收缓冲区的空闲空间，16 位，用来告诉 TCP 连接对端自己能够接收的最大数据长度。
校验和（Checksum），16 位。每一个报文段都包括有校验和字段，若报文有损伤，则由终点 TCP 将其丢弃，并被认为是丢失。TCP 的校验和是强制的。
紧急指针（Urgent Pointers），16 位，只有 URG 标志位被设值时该字段才有意义，表示紧急数据相对序列号（Sequence Number字段的值）的偏移。用URG 值 + 序号得到最后一个紧急字节。
LWIP 中 TCP 协议的实现 TCP 控制块
TCP 报文段如 APR 报文、IP 数据报一样，也是由首部 + 数据区域组成，TCP 报文段的首部我们称之为 TCP 首部，其首部内容很丰富，各个字段都有不一样的含义，如果不计算 选项字段，一般来说 TCP 首部只有 20 个字节，具体见上图。在 LwIP 中，报文段首部采用一个名字叫 tcp_hdr 的结构体进行描述。
PACK_STRUCT_BEGIN
struct tcp_hdr {
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t src); // 源端口
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t dest); // 目标端口
PACK_STRUCT_FIELD(u32_t seqno); // 序号
PACK_STRUCT_FIELD(u32_t ackno); // 确认序号
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _hdrlen_rsvd_flags); // 首部长度+保留位+标志位
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t wnd); // 窗口大小
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t chksum); // 校验和
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t urgp); // 紧急指针
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
每个 TCP 报文段都包含源主机和目标主机的端口号，用于寻找发送端和接收端应用线程，这两个值加上 IP 首部中的源 IP 地址和目标 IP 地址就能确定唯一一个 TCP 连接。
序号字段用来标识从 TCP 发送端向 TCP 接收端发送的数据字节流，它的值表示在这 个报文段中的第一个数据字节所处位置吗，根据接收到的数据区域长度，就能计算出报文 最后一个数据所处的序号，因为 TCP 协议会对发送或者接收的数据进行编号（按字节的形式），那么使用序号对每个字节进行计数，就能很轻易管理这些数据。序号是 32 bit 的无 符号整数。
当建立一个新的连接时，TCP 报文段首部的 SYN 标志变 1，序号字段包含由这个主机随机选择的初始序号 ISN（Initial Sequence Number）。该主机要发送数据的第一个字节序 号为 ISN+1，因为 SYN 标志会占用一个序号。
既然 TCP 协议给每个传输的字节都了编号，那么确认序号就包含接收端所期望收到的 下一个序号，因此，确认序号应当是上次已成功收到数据的最后一个字节序号加 1。当然， 只有 ACK 标志为 1 时确认序号字段才有效，TCP 为应用层提供全双工服务，这意味数据能 在两个方向上独立地进行传输，因此确认序号通常会与反向数据（即接收端传输给发送端 的数据）封装在同一个报文中（即捎带），所以连接的每一端都必须保持每个方向上的传输数据序号准确性。
首部长度字段占据 4 bit 空间，它指出了 TCP 报文段首部长度，以字节为单位，最大能记录 15*4=60 字节的首部长度，因此，TCP 报文段首部最大长度为 60 字节。在字段后接下 来有 6 bit 空间是保留未用的。
此外还有 6 bit 空间，是 TCP 报文段首部的标志字段，用于标志一些信息：
URG：首部中的紧急指针字段标志，如果是 1 表示紧急指针字段有效。
ACK：首部中的确认序列字段标志，如果是 1 表示确认序列字段有效。
PSH：该字段置一表示接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。
RST：重新建立 TCP 连接。
SYN：用同步序列发起连接。
FIN：终止连接。
TCP 的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供，窗口大小为字节数，起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的数据序号，发送发根据窗口的大小调整发送数据，以实现流量控制。窗口大小是一个占据 16 bit 空间的字段，因而窗口最大为 65535 字节，当接收方告诉发送发一个大小为 0 的窗口时，将完全阻止发送方的数据发送。
检验和覆盖了整个 TCP 报文段：TCP 首部和 TCP 数据区域，由发送端计算填写，并由接收端进行验证。 TCP 连接 TCP 建立连接
每个 TCP 连接都需要一个 TCP 控制块结构体 tcp_pcb (宏展开后)， 结构体内包含了 TCP 连接所需的各种信息， 如 ip 地址和端口号， 连接状态和标志， 报文参数和数据指针等:
/** the TCP protocol control block */
struct tcp_pcb {
/** common PCB members */
/* ip addresses in network byte order *
ip_addr_t local_ip;
ip_addr_t remote_ip;
/* Socket options */
u8_t so_options;
/* Type Of Service */
u8_t tos;
/* Time To Live */
u8_t ttl
/* link layer address resolution hint */ \
IP_PCB_ADDRHINT
/** protocol specific PCB members */
type *next; /* for the linked list */
void *callback_arg;
enum tcp_state state; /* TCP state */ //记录TCP连接所处的状态
u8_t prio;
/* ports are in host byte order */
u16_t local_port
/* ports are in host byte order */
u16_t remote_port;
tcpflags_t flags;
/* the rest of the fields are in host byte order
as we have to do some math with them */
/* Timers */
u8_t polltmr, pollinterval;
u8_t last_timer;
u32_t tmr;
/* receiver variables */
u32_t rcv_nxt; /* next seqno expected */
tcpwnd_size_t rcv_wnd; /* receiver window available */
tcpwnd_size_t rcv_ann_wnd; /* receiver window to announce */
u32_t rcv_ann_right_edge; /* announced right edge of window */
/* Retransmission timer. */
s16_t rtime;
u16_t mss; /* maximum segment size */
/* RTT (round trip time) estimation variables */
u32_t rttest; /* RTT estimate in 500ms ticks */
u32_t rtseq; /* sequence number being timed */
s16_t sa, sv; /* @todo document this */
s16_t rto; /* retransmission time-out */
u8_t nrtx; /* number of retransmissions */
/* fast retransmit/recovery */
u8_t dupacks;
u32_t lastack; /* Highest acknowledged seqno. */
/* congestion avoidance/control variables */
tcpwnd_size_t cwnd;
tcpwnd_size_t ssthresh;
/* sender variables */
u32_t snd_nxt; /* next new seqno to be sent */
u32_t snd_wl1, snd_wl2; /* Sequence and acknowledgement numbers of last
window update. */
u32_t snd_lbb; /* Sequence number of next byte to be buffered. */
tcpwnd_size_t snd_wnd; /* sender window */
tcpwnd_size_t snd_wnd_max; /* the maximum sender window announced by the remote host */
tcpwnd_size_t snd_buf; /* Available buffer space for sending (in bytes). */
#define TCP_SNDQUEUELEN_OVERFLOW (0xffffU-3)
u16_t snd_queuelen; /* Number of pbufs currently in the send buffer. */
#if TCP_OVERSIZE
/* Extra bytes available at the end of the last pbuf in unsent. */
u16_t unsent_oversize;
#endif /* TCP_OVERSIZE */
/* These are ordered by sequence number: */
struct tcp_seg *unsent; /* Unsent (queued) segments. */
struct tcp_seg *unacked; /* Sent but unacknowledged segments. */
#if TCP_QUEUE_OOSEQ
struct tcp_seg *ooseq; /* Received out of sequence segments. */
#endif /* TCP_QUEUE_OOSEQ */
struct pbuf *refused_data; /* Data previously received but not yet taken by upper layer */
#if LWIP_CALLBACK_API || TCP_LISTEN_BACKLOG
struct tcp_pcb_listen* listener;
#endif /* LWIP_CALLBACK_API || TCP_LISTEN_BACKLOG */
#if LWIP_CALLBACK_API
/* Function to be called when more send buffer space is available. */
tcp_sent_fn sent;
/* Function to be called when (in-sequence) data has arrived. */
tcp_recv_fn recv;
/* Function to be called when a connection has been set up. */
tcp_connected_fn connected;
/* Function which is called periodically. */
tcp_poll_fn poll;
/* Function to be called whenever a fatal error occurs. */
tcp_err_fn errf;
#endif /* LWIP_CALLBACK_API */
#if LWIP_TCP_TIMESTAMPS
u32_t ts_lastacksent;
u32_t ts_recent;
#endif /* LWIP_TCP_TIMESTAMPS */
/* idle time before KEEPALIVE is sent */
u32_t keep_idle;
#if LWIP_TCP_KEEPALIVE
u32_t keep_intvl;
u32_t keep_cnt;
#endif /* LWIP_TCP_KEEPALIVE */
/* Persist timer counter */
u8_t persist_cnt;
/* Persist timer back-off */
u8_t persist_backoff;
/* KEEPALIVE counter */
u8_t keep_cnt_sent;
#if LWIP_WND_SCALE
u8_t snd_scale;
u8_t rcv_scale;
#endif
};
state 是一个 tcp_state 型枚举变量， 它表示 TCP 所处的状态， 具体状态有:
enum tcp_state {
CLOSED = 0, //关闭状态
LISTEN = 1, //监听状态, server端状态
SYN_SENT = 2, //建立TCP连接时, client发送SYN后的状态
SYN_RCVD = 3, //server端收到client的SYN报文后, 由listen状态转移过来
ESTABLISHED = 4, //创建TCP成功, 可以是client, 也可以时server
FIN_WAIT_1 = 5, //主动断开者发送完FIN后的状态
FIN_WAIT_2 = 6, //主动断开者收到ACK后的状态
CLOSE_WAIT = 7, //被动断开者收到FIN之后, 自己发送FIN之前的状态
CLOSING = 8, //应该是主动断开者FIN_WAIT_1状态时,收到ACK前,先收到了对方FIN报文后的状态
LAST_ACK = 9, //被断开者发送FIN报文后的状态
TIME_WAIT = 10 //主动断开者收到被动断开者的FIN报文并回复ACK后的状态
};
TCP 建立连接时需要完成 3 个步骤，常称作三次握手：
客户端发送含 SYN 标志的报文，表示要建立一个连接， 初始化连接的同步序号 seq；
服务器端接收到含 SYN 的报文后， 也将一条含 SYN 标志报文， 作为 ACK 回复给客户端， 一则表示收到客户端创建连接的请求，二则表示服务端也同时创建与客户端的连接；
客户端收到回复后再发送一条 ACK 报文， 表示收到服务端的创建连接请求。
不论是客户端还是服务端， 创建连接发送数据的时候数据包中都包含一个初始化序列号 seq， 对方收到数据并回复时会将收到的 seq 加 1 作为 ACK 的数据。 这样发送端就可以判断是不是对本次数据的回复。 以后每次发数据都会在前一次 seq 的基础上 +1 作为本次的 seq (注意， 建立连接和断开连接时 seq 是加 1， 传输应用数据时 seq 加的是上次发送的数据长度 )。
tcp_connect.png
下图为三次握手抓包数据:
conncet.png
客户端要建立网络连接时， 首先要发一个SYN标志的数据包。就是tcp_connect实现的，大概流程如下：
conncet.png
服务端连接流程：
conncet.png TCP断开连接
TCP断开连接时需要 4 个步骤来完成断开， 俗称四次挥手：
已经建立连接的其中一段想要断开连接，称为主动关闭方。其发送一个含 FIN 标志、seq 值（假设为 Q）和 ACK 值（假设为 K， 来自上次收到的 seq）的报文到连接对方，称为被关闭方；
被关闭方收到含 FIN 标志的报文后，将 K 作为 seq 值，Q 加 1 后作为 ACK 值回复给主动关闭方。
被关闭方同时检查自身是否还有处理完的数据包，若没有则开始启动关闭操作，身份转变为主动关闭方，同样发送一个含 FIN、seq（值仍为 K）和 ACK 值（值仍为 Q+1）初始化的报文到连接对方。
原主动关闭方转变为被关闭方，收到报文后，回复一条 seq 为 Q+1，ACK 为 K+1 的报文。至此，完成 TCP 连接的断开。
tcp_disconncet
下图为四次挥手抓包数据:
tcp_disconncet
正常的TCP断开连接一般是从ESTABLISHED状态开始, 就是说两个网络端已经建立了连接, 断开流程如下:
以下是主动关闭方流程:
tcp_disconncet
以下是被动关闭方流程：
tcp_disconncet TCP 超时重传
TCP 在发起一次传输时会开启一个定时器，如果在定时器超时时未收到应答就会进行重传。一个 TCP 连接的往返时间为 RTT（Round-Trip Time），然后根据 RTT 来设置重传时间就是 RTO（Retransmission TimeOut）。 如果 RTO 较大，由于等待时间过长会影响 TCP 的效率；较小则可能使系统来不及响应而认为数据传输失败而重传。所以 RTO 是随着网络的状态动态调整的，而网络状态可以通过测量报文段的往返时间来反应。
jacobson 的 RTO 估计算法：
Err = M-A
A = A+g*Err
D = D+h*(|Err|-D)
RTO = A+4*D
M:某次测量的RTT值 A:RTT平均值 D：RTT方差 g：常数，一般取1/8 h：常数，一般取1/4
从 jacobson 的 RTT 平滑算法可以知道，RTO 估计是基于 RTT 的均值和方差来计算的，是一种可以平滑较大变化的计算方法。 lwip 中 的 RTO 估计
/* RTT估计计算。这是通过传入的确认报文段来得到的报文段的往返时间。*/
if (pcb->rttest && TCP_SEQ_LT(pcb->rtseq, ackno)) {
/* diff between this shouldn't exceed 32K since this are tcp timer ticks
and a round-trip shouldn't be that long... */
m = (s16_t)(tcp_ticks - pcb->rttest);
LWIP_DEBUGF(TCP_RTO_DEBUG, ("tcp_receive: experienced rtt %"U16_F" ticks (%"U16_F" msec).\n",
m, (u16_t)(m * TCP_SLOW_INTERVAL)));
/* This is taken directly from VJs original code in his paper */
m = (s16_t)(m - (pcb->sa >> 3));
pcb->sa = (s16_t)(pcb->sa + m);
if (m < 0) {
m = (s16_t) - m;
}
m = (s16_t)(m - (pcb->sv >> 2));
pcb->sv = (s16_t)(pcb->sv + m);
pcb->rto = (s16_t)((pcb->sa >> 3) + pcb->sv);
LWIP_DEBUGF(TCP_RTO_DEBUG, ("tcp_receive: RTO %"U16_F" (%"U16_F" milliseconds)\n",
pcb->rto, (u16_t)(pcb->rto * TCP_SLOW_INTERVAL)));
pcb->rttest = 0;
}
在输出一个报文段使，将全局变量时钟滴答 tcp_ticks 赋值给 tcp 控制块的 rttest 字段表示 RTT 测量开始的时间，如下图中选自 tcp_out.c 的 tcp_output_segment 的源码，源码在估算 RTO 时首先用当前的 tcp_ticks - pcb->rttest 表示 RTT 的测量值 m，然后基于 jacobson 算法计算 rto 的值。
rto_rtt_calc.png 超时重传
超时重传是在 tcp_slowtmr() 函数里完成的，内核会每 500ms 执行一次该函数，在函数中判断 pcb->rtime 是否大于 pcb->rto 来判断是否超时，如果超时则执行tcp_rexmit_rto_commit() 函数来重传报文段。
if (pcb->rtime >= pcb->rto) {
/* Time for a retransmission. */
LWIP_DEBUGF(TCP_RTO_DEBUG, ("tcp_slowtmr: rtime %"S16_F
" pcb->rto %"S16_F"\n",
pcb->rtime, pcb->rto));
/* If prepare phase fails but we have unsent data but no unacked data,
still execute the backoff calculations below, as this means we somehow
failed to send segment. */
if ((tcp_rexmit_rto_prepare(pcb) == ERR_OK) || ((pcb->unacked == NULL) && (pcb->unsent != NULL))) {
/* Double retransmission time-out unless we are trying to
* connect to somebody (i.e., we are in SYN_SENT). */
if (pcb->state != SYN_SENT) {
u8_t backoff_idx = LWIP_MIN(pcb->nrtx, sizeof(tcp_backoff) - 1);
int calc_rto = ((pcb->sa >> 3) + pcb->sv) << tcp_backoff[backoff_idx];
pcb->rto = (s16_t)LWIP_MIN(calc_rto, 0x7FFF);
}
/* Reset the retransmission timer. */
pcb->rtime = 0;
/* Reduce congestion window and ssthresh. */
eff_wnd = LWIP_MIN(pcb->cwnd, pcb->snd_wnd);
pcb->ssthresh = eff_wnd >> 1;
if (pcb->ssthresh < (tcpwnd_size_t)(pcb->mss << 1)) {
pcb->ssthresh = (tcpwnd_size_t)(pcb->mss << 1);
}
pcb->cwnd = pcb->mss;
LWIP_DEBUGF(TCP_CWND_DEBUG, ("tcp_slowtmr: cwnd %"TCPWNDSIZE_F
" ssthresh %"TCPWNDSIZE_F"\n",
pcb->cwnd, pcb->ssthresh));
pcb->bytes_acked = 0;
/* The following needs to be called AFTER cwnd is set to one
mss - STJ */
tcp_rexmit_rto_commit(pcb);
}
}
