Linux多线程服务端编程：使用muduo C++网络库学习笔记附录D 关于TCP并发连接的几个思考题与试验

前几天作者在新浪微博上出了两道有关TCP的思考题，引发了一场讨论（http://weibo.com/1701018393/eCuxDrtaONn）。

第一道初级题目是：有一台机器，它有一个IP，上面运行了一个TCP服务程序，程序只侦听一个端口，问：从理论上讲（只考虑TCP/IP这一层面，不考虑IPv6）这个服务程序可以支持多少并发TCP连接？（答65536上下的直接出局）

具体来说，这个问题等价于：有一个TCP服务程序的地址是1.2.3.4:8765，问它从理论上能接受多少个并发连接？

第二道进阶题目是：一台被测机器A，功能同上，同一交换机上还接有一台机器B，如果允许B的程序直接收发以太网frame，问：让A承担10万个并发TCP连接需要用多少B的资源？100万个呢？

从讨论的结果看，很多人做出了第一道题，而第二道题则几乎无人问津。这里先不公布答案（第一题答案见文末），让我们继续思考一个本质的问题：一个TCP连接要占用多少系统资源？

在现在的Linux操作系统上，如果用socket(2)或accept(2)来创建TCP链接，那么每个连接至少要占用一个文件描述符（file descriptor）。为什么说“至少”？因为文件描述符可以复制，比如dup()；也可以被继承，比如fork()；这样可能出现系统中同一个TCP连接有多个文件描述符与之对应。据此，很多人给出的第一题答案是：并发连接数受限于系统能同时打开的文件数目的最大值。这个答案在实践中是正确的，却不符合原题意。

如果抛开操作系统层面，只考虑TCP/IP层面，建立一个TCP连接有哪些开销？理论上最小的开销是多少？考虑两个场景：
1.假设有一个TCP服务程序，向这个程序成功发起连接需要做哪些事情？换句话说，如何才能让这个TCP服务程序认为有客户连接到了它（让它的accept(2)调用正常返回）？

2.假设有一个TCP客户端程序，让这个程序成功建立到服务器的连接需要做哪些事情？换句话说，如何才能让这个TCP客户端程序认为它自己已经连接到服务器了（让它的connect(2)调用正常返回）？

以上这两个问题问的不是如何编程，如何调用Sockets API，而是问如何让操作系统的TCP/IP协议栈认为任务已经成功完成，连接已经成功建立。

学过TCP/IP协议，理解三路握手的读者想必明白，TCP连接是虚拟的连接，不是电路连接。维持TCP连接理论上不占用网络资源（会占用两头程序的系统资源）。只要连接的双方认为TCP连接存在，并且可以互相发送IP packet，那么TCP连接就一直存在。

对于问题1，向一个TCP服务程序发起一个连接，客户端（为明白起见，以下称为faketcp客户端）只需要做三件事情（三路握手）：
1a.向TCP服务程序发一个IP packet，包含SYN的TCP segment；

1b.等待对方返回一个包含SYN和ACK的TCPsegment；

1c.向对方发送一个包含ACK的segment。

faketcp客户端在做完这三件事情之后，TCP服务器程序会认为连接已建立。而做这三件事情并不占用客户端的资源，如果faketcp客户端程序可以绕开操作系统的TCP/IP协议栈，自己直接发送并接收IP packet或Ethernet frame的话。换句话说，faketcp客户端可以一直重复做这三件事情，每次用一个不同的IP:PORT，在服务端创建不计其数的TCP连接，而faketcp客户端自己毫发无损。我们很快将看到如何用程序来实现这一点。

对于问题2，为了让一个TCP客户端程序认为连接已建立，faketcp服务端也只需要做三件事情：
2a.等待客户端发来的SYN TCP segment；

2b.发送一个包含SYN和ACK的TCP segment；

2c.忽视对方发来的包含ACK的segment。

faketcp服务端在做完头两件事情（收一个SYN、发一个SYN+ACK）之后，TCP客户端程序会认为连接已建立。而做这三件事情并不占用faketcp服务端的资源。换句话说，faketcp服务端可以一直重复做这三件事，接受不计其数的TCP连接，而faketcp服务端自己毫发无损。我们很快将看到如何用程序来实现这一点。

基于对以上两个问题的分析，说明单独谈论“TCP并发连接数”是没有意义的，因为连接数基本上是要多少有多少。更有意义的性能指标或许是：“每秒收发多少条消息”、“每秒收发多少字节的数据”、“支持多少个活动的并发客户”等等。

faketcp的程序实现

为了验证上面的说法，作者写了几个小程序来实现faketcp，这几个程序可以发起或接受不计其数的TCP并发连接，并且不消耗操作系统资源，连动态内存分配都不会用到。代码见recipes/faketcp，可以直接用make编译。

作者家里有一台运行Ubuntu Linux 10.04的PC，hostname是atom，所有的试验都在这上面进行。家里试验环境的网络配置如图D-1所示。
在这里插入图片描述
作者在附录A中曾提到过“可以用TUN/TAP设备在用户态实现一个能与本机点对点通信的TCP/IP协议栈”，这次的试验正好可以用上这个办法。试验的网络配置如图D-2所示。

具体做法是：在atom上通过打开/dev/net/tun设备来创建一个tun0虚拟网卡，然后把这个网卡的地址设为192.168.0.1/24，这样faketcp程序就扮演了192.168.0.0/24这个网段上的所有机器。atom发给192.168.0.2~192.168.0.254的IP packet都会发给faketcp程序，faketcp程序可以模拟其中任何一个IP给atom发IP packet。

程序分成几步来实现。

第一步：实现ICMP echo协议，这样就能ping通faketcp了。代码见recipes/faketcp/icmpecho.cc。

其中响应ICMP echo request的函数是icmp_input()，位于recipes/faketcp/faketcp.cc。这个函数在后面的程序中也会用到。

运行方法，打开3个命令行窗口：
1.在第1个窗口运行sudo ./icmpecho，程序显示
在这里插入图片描述
2.在第2个窗口运行

3.在第3个窗口运行：

注意到每个192.168.0.X的IP都能ping通。

第二步：实现拒绝TCP连接的功能，即在收到SYN TCP segment的时候发送RST segment。代码见recipes/faketcp/rejectall.cc。

运行方法，打开3个命令行窗口，头两个窗口的操作与前面相同，运行的faketcp程序是./rejectall。在第3个窗口运行
在这里插入图片描述
注意到向其中任意一个IP发起的TCP连接都被拒绝了。

第三步：实现接受TCP连接的功能，即在收到SYN TCP segment的时候发回SYN+ACK。这个程序同时处理了连接断开的情况，即在收到FIN segment的时候发回FIN+ACK。代码见recipes/faketcp/acceptall.cc。

运行方法，打开3个命令行窗口，步骤与前面相同，运行的faketcp程序是./acceptall。这次会发现nc能和192.168.0.X中的每一个IP每一个port都能联通。还可以在第4个窗口中运行netstat -tpn，以确认连接确实建立起来了。如果在nc中输入数据，数据会堆积在操作系统中，表现为netstat显示的发送队列（Send-Q）的长度增加。

第四步：在第三步接受TCP连接的基础上，实现接收数据，即在收到包含payload数据的TCP sengment时发回ACK。代码见recipes/faketcp/discardall.cc。

运行方法，打开3个命令行窗口，步骤与前面相同，运行的faketcp程序是discardall。这次会发现nc能和192.168.0.X中的每一个IP每一个port都能连通，数据也能发出去。还可以在第4个窗口中运行netstat -tpn，以确认连接确实建立起来了，并且发送队列的长度为0。

这一步已经解决了前面的问题2，扮演任意TCP服务端。

第五步：解决前面的问题1，扮演客户端向atom发起任意多的连接。代码见recipes/faketcp/connectmany.cc。

这一步的运行方法与前面不同，打开4个命令行窗口：
1.在第1个窗口运行sudo ./connectmany 192.168.0.1 2007 1000，表示将向192.168.0.1:2007发起1000个并发连接。程序显示
在这里插入图片描述
2.在第2个窗口运行

3.在第3个窗口运行一个能接收并发TCP连接的服务程序，可以是httpd，也可以是muduo的echo或discard示例，程序应listen 2007端口。

4.在第1个窗口中按回车键，再在第4个窗口中用netstat -tpn命令来观察并发连接。

有兴趣的话，还可以继续扩展，做更多的有关TCP的试验，以进一步加深理解，验证操作系统的TCP/IP协议栈面对不同输入的行为。甚至可以按作者在附录A中提议的那样，实现完整的TCP状态机，做出一个简单地mini tcp stack。

第一道题的答案：

在只考虑IPv4的情况下，并发输的理论上限是2 $^{48}$ 。考虑某些IP段被保留了，这个上界可适当缩小，但数量级不变。实际的限制是操作系统全局文件描述符的数量，以及内存大小。

一个TCP连接有两个end points，每个end point是{ip, port}，题目说其中一个end point已经固定，那么留下一个end point的自由度，即2 $^{48}$ 。客户端IP的上限是2 $^{32}$ 个，每个客户端IP发起连接的上限是2 $^{16}$ ，乘到一起得到理论上限。