4、传输层之TCP实现：TCP控制块（tcp_sock）结构，三次握手与四次挥手的内核实现，滑动窗口与拥塞控制
TCP 协议栈的实现，说白了就是内核里那一大坨代码。我刚开始啃这部分源码时，感觉像在迷宫里转悠。但后来我发现，只要抓住三个核心——控制块、状态机、窗口机制——整个脉络就清晰了。
4.1 TCP控制块：tcp_sock 结构体
每个 TCP 连接在内核里都对应一个 tcp_sock 结构体。你可以把它想象成连接的「身份证+档案袋」。我习惯先看它的继承关系：
struct tcp_sock {
/* 继承自 inet_connection_sock */
struct inet_connection_sock inet_conn;
/* TCP 特有字段 */
u32 rcv_nxt; /* 下一个期望接收的序号 */
u32 snd_nxt; /* 下一个待发送的序号 */
u32 snd_una; /* 第一个未确认的序号 */
u32 write_seq; /* 写指针，用于 PUSH 标志 */
u32 copied_seq; /* 用户已读取的序号 */
/* 滑动窗口相关 */
u32 rcv_wnd; /* 接收窗口大小 */
u32 snd_wnd; /* 发送窗口大小 */
u32 window_clamp; /* 窗口上限 */
/* 拥塞控制 */
u32 snd_cwnd; /* 拥塞窗口 */
u32 snd_ssthresh; /* 慢启动阈值 */
/* 定时器 */
struct timer_list retransmit_timer; /* 重传定时器 */
struct timer_list delack_timer; /* 延迟确认定时器 */
/* 状态机 */
u8 tcp_header_len; /* TCP 头部长度 */
/* ... 还有几十个字段 */
};核心字段速查表
| 字段 | 含义 | 我踩过的坑 |
|---|---|---|
| rcv_nxt | 期望收到的下一个序号 | 乱序包到达时，这个值不会变 |
| snd_una | 最早未确认的序号 | 重传时就是拿它和 snd_nxt 算范围 |
| snd_cwnd | 拥塞窗口 | 千万别和 snd_wnd 搞混，前者是网络状态，后者是接收方能力 |
| window_clamp | 窗口上限 | 我曾经调大这个值导致内存暴涨，嗯，教训深刻 |
你想想看，一个连接从建立到关闭，所有状态都记录在这个结构体里。内核每收到一个包，第一件事就是找到对应的 tcp_sock，然后更新这些字段。
4.2 三次握手的内核实现
三次握手，说白了就是三次状态跳转。内核里用 TCP_ESTABLISHED、TCP_SYN_SENT 这些枚举值来标记。我画了一张流程图，你看一眼就明白了：
我在调优一个高并发网关时发现，SYN_RCVD 状态如果积压太多，说明半连接队列满了。这时候要么调 tcp_max_syn_backlog，要么开 SYN Cookies。嗯，后者更安全。
避坑指南：我曾经在生产环境遇到「三次握手成功但业务超时」的问题。查了半天发现是 tcp_tw_reuse 和 tcp_tw_recycle 在 NAT 环境下冲突。后来我统一关掉了 tcp_tw_recycle（内核 4.12 之后已经移除），问题解决。
4.3 四次挥手的内核实现
挥手比握手复杂，因为它是「半关闭」的。主动关闭方发 FIN，被动方可能还有数据要发。内核里用 FIN_WAIT1、CLOSE_WAIT 这些状态来管理。
/* 主动关闭方调用 close() 后的路径 */
int tcp_close(struct sock *sk, long timeout) {
/* 发送 FIN 包 */
tcp_send_fin(sk);
/* 状态迁移：ESTABLISHED → FIN_WAIT1 */
tcp_set_state(sk, TCP_FIN_WAIT1);
/* 启动 FIN_WAIT2 定时器，防止对方不响应 */
inet_csk_reset_keepalive_timer(sk, ...);
}
/* 被动关闭方收到 FIN 后的路径 */
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb) {
if (sk->sk_state == TCP_ESTABLISHED && tcp_sk(sk)->fin_seq) {
/* 状态迁移：ESTABLISHED → CLOSE_WAIT */
tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE_WAIT);
/* 通知用户进程：对端关闭了 */
sk->sk_shutdown |= RCV_SHUTDOWN;
/* 唤醒等待队列 */
sk_data_ready(sk);
}
}这里有个经典问题：TIME_WAIT 为什么是 2MSL？说白了，就是为了防止最后一个 ACK 丢失。我见过有人把 tcp_fin_timeout 调成 1 秒，结果服务端重传 FIN 时客户端已经彻底忘了这个连接，导致 RST 乱飞。
注意：CLOSE_WAIT 状态如果大量堆积，说明应用程序没有正确调用 close()。我曾经排查过一个 Java 应用，发现是连接池泄漏，导致几千个 CLOSE_WAIT 把文件描述符耗光了。
4.4 滑动窗口：流量控制的基石
滑动窗口，说白了就是接收方告诉发送方：「我还能收多少，你别撑死我」。内核里用 rcv_wnd 和 snd_wnd 来管理。
我习惯把窗口理解成一个「滑动门」：
- 发送窗口 = min(snd_cwnd, snd_wnd) —— 取拥塞窗口和接收窗口的较小值
- 接收窗口 = rcv_wnd = 接收缓冲区剩余空间
- 窗口滑动：收到 ACK 后，snd_una 前移，窗口右移
内核里有个关键函数 tcp_receive_window()，它计算当前还能收多少数据：
static inline u32 tcp_receive_window(const struct tcp_sock *tp) {
s32 win = tp->rcv_wup + tp->rcv_wnd - tp->rcv_nxt;
/* rcv_wup 是上次通告窗口时的序号 */
/* 如果窗口为负，说明接收方已经溢出了 */
return max(win, 0);
}窗口更新时机：
- 用户从 socket 读取数据后，
tcp_rcv_space_adjust()会扩大窗口 - 接收缓冲区满时，窗口缩到 0，发送方停止发送
- 窗口为 0 时，发送方启动「零窗口探测」定时器，定期发 1 字节数据
你想想看，如果接收方处理慢，窗口会越来越小。我曾经在视频流服务器上遇到窗口频繁为 0 的问题，后来调大了 tcp_rmem 的默认值，吞吐量直接翻倍。
4.5 拥塞控制：内核里的四大算法
拥塞控制是 TCP 最「智能」的部分。内核里实现了四个经典算法：慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复。我画了一张流程图：
内核里 tcp_reno_cong_avoid() 是核心函数。我摘一段关键逻辑：
/* 拥塞避免阶段：每个 RTT 增加 1 个 MSS */
void tcp_reno_cong_avoid(struct sock *sk, u32 ack, u32 acked) {
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
if (!tcp_is_cwnd_limited(sk))
return; /* 窗口没受限，不增长 */
if (tp->snd_cwnd <= tp->snd_ssthresh) {
/* 慢启动：每个 ACK 增加 1 个 MSS */
tp->snd_cwnd += min(acked, tp->snd_cwnd);
} else {
/* 拥塞避免：每个 RTT 增加 1 个 MSS */
tp->snd_cwnd_cnt += acked;
if (tp->snd_cwnd_cnt >= tp->snd_cwnd) {
tp->snd_cwnd_cnt -= tp->snd_cwnd;
tp->snd_cwnd++;
}
}
}调优建议：我习惯在数据中心内部使用 tcp_congestion_control = bbr，因为它不丢包也能探测带宽。但在公网上，CUBIC 更稳定。你可以用 ss -ti 查看当前连接的拥塞算法和 cwnd 大小。
4.6 总结：一张图看懂 TCP 内核实现
我把整个 TCP 内核实现的核心模块画成了一张总览图：
TCP 的实现远不止这些，但掌握了控制块、状态机、窗口机制这三块，你就能看懂 80% 的代码路径。剩下的 20%，无非是各种边界条件和优化技巧。嗯，下次遇到 TCP 问题，先想想这三个模块，思路就清晰了。