加餐 | 模块一思考题解答

今天我会带你把《模块一：互联网和传输层协议》中涉及的课后练习题，逐一讲解，并给出每一讲练习题的解题思路和答案。

02 | 传输层协议 TCP ： TCP 为什么握手是 3 次、挥手是 4 次？

【问题】一台内存在 8G 左右的服务器，可以同时维护多少个连接？

【解析】连接是内存中的状态对象，从理论上分析，连接本身不太占用内存。不同语言连接对象大小不等，但是通常很小。下面我提供一段 Java 程序，你可以感受一下：

public class Server {
        public static void main(String[] argv) throws IOException {
            var serverSocket = new ServerSocket();
            var addr = new InetSocketAddress(3001);
            serverSocket.bind(addr);
            var list = new LinkedList<>();
            while(true) {
                var client = serverSocket.accept();
                list.add(client);
                System.out.println(list.size());
            }
        }
    }
    public class Client {
        public static void main(String[] argv) throws IOException, InterruptedException {
            var clients = new LinkedList<>();
            for(int i = 0; i < 1000000; i++) {
                var client = new Socket("127.0.0.1", 3001);
                clients.add(client);
            }
            Thread.sleep(10000000);
        }
    }

通过运行上面这段程序，你可以观察到以下这几个现象：

1. 创建 100W 连接速度不是很快，这说明 TCP 连接创建有成本（3 次握手，都是网络 IO）；

2. 用jps找到对应的进程的id，在用sudo cat /proc/{进程ID}/status | grep VmHWM可以看到实际的内存占用。按照这种增长趋势，8G 内存空间可以轻轻松松存放 100W 个连接。

但是如果单机建立太多的连接，会报一个Cannot assign requested address的异常，这是因为客户端连接服务端时，操作系统要为每个客户端分配一个端口，上面的程序很快会把端口号用尽。

所以，我们可以得出一个结论：核心的问题是，通信需要缓冲区，通信需要 I/O。这是因为通信占用资源，连接本身占用资源少。

另外，我看到的评论区有不少高质量的回答，建议你回到“02 | 传输层协议 TCP ： TCP 为什么握手是 3 次、挥手是 4 次？”看一看，作为知识补充。如果看到好的答案，不妨动手点个赞（我给大家一一点了赞）。

03 | TCP 的封包格式： 为什么需要粘包和拆包？

【问题】有哪些好用的压测工具？

压力测试最常见的工具是 Apache Benchmark（简称 AB），在 Linux 下面可以通过包管理器安装 ab：

yum install httpd-tools
    // 或
    apt-get install apache2-utils

ab 安装好后，可以利用下面这条指令向某个网站发送并发 1000 的 10000 次请求：

ab -n 10000 -p 1000 https://example.com/

ab 是用 C 语言写的，作为一个随手就可以用的工具，它的设计非常简单，是一个单线程的工作模型，因此如果遇到阻塞情况，可能直接导致 ab 工具自己积压崩溃。

所以。这里我给你推荐一个 Java 生态好用的工具“JMeter”，拥有可视化的界面，如下图所示：

这个工具在各个平台上都可以用，比 ab 稳定，有图形化界面，可以配置任意线程数量，还有可视化的图表支持。

04 | TCP 的稳定性 ：滑动窗口和流速控制是怎么回事？

【问题】先不要查资料，既然发送方有窗口，那么接收方也需要有窗口吗？

【解析】我们一起思考下，接收方收到发送方的每个数据分组（或者称为 TCP Segment），接收方肯定需要缓存。举例来说，如果发送方发送了：1, 2, 3, 4。 那么接收方可能收到的一种情况是：1，4，3。注意，没有收到 2 的原因可能是延迟、丢包等。这个时候，接收方有两种选择。

选择一：什么都不做（这样分组 2 的 ACK 就不会发送给发送方，发送方发现没有收到 2 的 ACK，过一段时间就有可能重发 2,3,4,5）。 当然具体设计还需要探讨，比如不重发整个分组，只重发已发送没有收到 ACK 的分组。

这种方法的缺陷是性能太差，重发了整个分组（或部分）。因此我们可以考虑另一种选择。

选择二：如果重发一个窗口，或部分窗口，问题就不会太大了。虽然增加了网络开销，但是毕竟有进步（1 进步了，不会再重发）。

性能方面最大的开销是等待超时的时间，就是发送方要等到超时时间才重发窗口，这样操作性能太差。因此，TCP 协议有一个快速重传的机制——接收方发现接收到了 1，但是没有接收到 2，那么马上发送 3 个分组 2 的 ACK 给到发送方，这样发送方收到多个 ACK，就知道接收方没有收到 2，于是马上重发 2。

无论是上面哪种方案，接收方也维护一个滑动窗口，是一个不错的选择。接收窗口的状态，可以和发送窗口的状态相互对应了。

05 | UDP 协议：TCP 协议和 UDP 协议的优势和劣势？

【问题】Moba 类游戏的网络应该用 TCP 还是 UDP？

【解析】所有在线联机游戏都有件非常重要的事情需要完成，就是确定事件发生的唯一性，这个性质和聊天工具是类似的。听我这么说，是不是有点迷？请听我慢慢道来。

你在王者荣耀中控制后羿释放技能，这是一个事件。同时，王昭君放了大招，这是第二个事件。两个事件一定要有先后顺序吗？答案是当然要有。因为游戏在同一时刻只能有一个状态。

类比一下，多个线程同时操作内存，发生了竞争条件（具体分析可以参见《重学操作系统》专栏关于“线程”的内容），那么是不是意味着，内存在同一时刻有两个状态呢？当然不是，内存同时刻只能有一个状态，所以多个线程的操作必须有先有后。

回到 Moba 游戏的问题，每个事件，游戏服务器必须给一个唯一的时序编号，对应后羿的技能和王昭君的技能。所以，在线竞技类游戏，事实上是玩家在不断向服务器竞争一个自增序列号的过程。无论客户端发生怎样的行为，只有竞争到自增 ID 才能进步。也就是说，服务器要尽快响应多个客户端提交的事件，并以最快的速度分配自增序号，然后返回给客户端。

所以，Moba 服务端的核心是自增序号的计算和尽量缩减延迟。从这个角度出发，你再来看看，应该用 TCP 协议还是 UDP 协议呢？

虽然TCP 协议有 3 次握手，但是连接上之后，双方就不会再有额外的传输成本，因此创建连接的成本，可以忽略不计。

同时，TCP 协议还提供稳定性支持，不需要自己实现稳定性。如果规模较小的在线竞技类游戏，TCP 完全适用。但是当游戏玩家体量上升后，TCP 协议的头部（数据封包）较大，会增加服务器额外的 I/O 压力。要发送更多的数据，自然有更大的 I/O 压力。从这个角度来看，UDP 就有了用武之地。

总结

本模块我们学习互联网协议群中最重要的两种传输层协议：TCP 协议和 UDP 协议。这两种协议，应该是你以后打交道最多的传输层协议。我认为，除了协议本身，协议的设计者的设计思路，是你更应该重视的事情。

希望通过本次课程的学习，你能够有所收获，将来遇到相关问题，能对应到这一模块所学的知识，比如：

• 当你既要保证 FIFO，又要提供多处理的数据结构时，可以想到滑动窗口；

• 当你设计请求/响应模型的时，可以想到多路复用；

• 当你为自己的应用选择协议时，可以想到实现可靠性最基本的思路。

好的，这一讲就到这里。发现求知的乐趣，我是林䭽，感谢你学习本次课程。 接下来我们将进入“模块二”开始学习网络层协议，下一讲介绍“06 | IPv4 协议：路由和寻址的区别是什么？”再见！