LWIP的TCP协议

1. 输入主路径：ethernet_input → ip4_input → tcp_input → tcp_process → tcp_receive

• 入口与校验

  • ip4_input() 识别协议为 TCP 后，交给 tcp_input(struct pbuf* p, struct netif*).
  • tcp_input 做三件事：
    1. 首部合法性与校验和检查（TCP_HLEN、伪首部校验）。
    2. 基于四元组定位 PCB（active -> timewait -> listen 顺序）。
    3. 将 p->payload 指向 TCP 数据区，并计算 tcplen/flags/seqno/ackno 等临时全局。

• 状态机分发（对应你的“流程方框：tcp_input→tcp_process→tcp_receive()”）

  • 找到活动 PCB 后，inseg 结构指向当前段，随后调用 tcp_process(pcb) 执行“TCP FSM”：
    • SYN_SENT：处理对端的 SYN/ACK，建立连接，初始化 cwnd/mss/窗口后进入 ESTABLISHED。
    • SYN_RCVD：等待对端 ACK，转入 ESTABLISHED（或错误时 RST）。
    • ESTABLISHED/CLOSE_WAIT/FIN_WAIT_x/…：统一走 tcp_receive(pcb) 处理 ACK、数据、窗口更新、重排等。
  • 未找到 PCB：tcp_input 发送 RST（tcp_rst_netif）。

• 数据接收与乱序重排（和你图中“recv_data/应用回调/邮箱投递”等一致）

  • tcp_receive(pcb) 核心逻辑：
    • ACK 处理：移动 unacked/unsent 队列（tcp_free_acked_segments），更新 cwnd/ssthresh（慢启动/拥塞避免）、rto/rtt 等。
    • 窗口与重复 ACK：
      • 重复 ACK 计数≥3 触发快速重传 tcp_rexmit_fast()；同时调整拥塞窗口。
    • 就绪数据与乱序：
      • 就绪（seq==rcv_nxt）：rcv_nxt 前进、rcv_wnd 递减，必要时拼接 ooseq 变为有序，再设置 recv_data。
      • 乱序：插入 pcb->ooseq（tcp_oos_insert_segment），必要时裁剪重叠；可选生成 SACK。
    • 向上递交：TCP_EVENT_RECV(pcb, recv_data) 交给上层，若应用暂时接不走，存 pcb->refused_data。
    • ACK：针对收到的数据/窗口移动调用 tcp_ack()/tcp_send_empty_ack()。

• 零窗口探测（Zero-Window Probe）

  • 对端通告窗口为 0 且仍有未发送数据：由慢计时器进入“persist 计时”，tcp_zero_window_probe() 每次发 1 字节数据或者 FIN 探测。

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2. 输出主路径：应用 → tcp_write → (分段/入队) → tcp_output → tcp_output_segment → ip_output_if

• tcp_write(pcb, buf, len, apiflags)

  • 三阶段分段与入队：
    1. OVERSIZE 尾部直接追加（减少 pbuf 分配/拷贝）。
    2. 复用/拼接到最后一个 unsent 段（concat_p/extendlen）。
    3. 创建新段 tcp_create_segment（构建 TCP 头但不填 ack/wnd/chksum），串到 pcb->unsent。
  • PSH 设置：若未带 TCP_WRITE_FLAG_MORE，则给最后一个段置 PSH。
  • 典型“粘包”来源就在 1)+2) 阶段：多次小写入极易被合并为更少的段（见第 3 节）。

• tcp_output(pcb)

  • 依据有效发送窗 wnd = min(snd_wnd, cwnd) 和 Nagle 算法决定是否发送。
  • 逐段发送 unsent 链表中满足窗的段：
    • 设置 ACK 标志（非 SYN_SENT）。
    • 通过 tcp_output_segment(seg, pcb, netif) 下发到 IP。
    • 发送后移到 unacked（仅数据/FIN/SYN计序的段）。

• tcp_output_segment

  • 回填首部字段：ackno=rcv_nxt，wnd=本端通告窗口（考虑窗口缩放），可选写时间戳/窗口扩大/SACK_PERM。
  • 计算 TCP 校验和（支持“拷贝时校验”优化 TCP_CHECKSUM_ON_COPY）。
  • 调 ip_output_if(p, src, dst, ttl, tos, IP_PROTO_TCP, netif)。

• 拥塞控制与重传

  • RTO 触发：tcp_slowtmr() 中 rtime≥rto → tcp_rexmit_rto_prepare/commit，rto 指数回退、cwnd=1*MSS。
  • 快速重传：见 tcp_receive 的 dupack≥3 分支调用 tcp_rexmit_fast()，并调整 ssthresh/cwnd。

• unsent：已构建但尚未通过 ip 发送的 tcp_seg 链（发前/被退回重发时也会放回这里）。

• unacked：已发送、等待对端确认的 tcp_seg 链（RTO、快速重传操作针对该链）。

• ooseq：接收端保存的乱序段链，等待前序到达并合并后上交给应用。

• 关键序列/窗口：snd_nxt（下一个要发送的序号）、lastack（最后被确认的序号）、snd_lbb（拥塞控制基准）、rcv_nxt（下一个期望接收序号）、snd_wnd/cwnd/ssthresh（发送窗/拥塞窗/阈值）。
  
  状态机与队列行为对应

• LISTEN

  • 不发送数据；收到 SYN 时会为新连接分配 PCB（SYN_RCVD）并把 SYN|ACK 放入 unsent/unacked（视是否已发送）。

• SYN_SENT

  • 主动发送 SYN（SYN 段在 unsent -> 发送后移入 unacked，等待 SYN|ACK 的 ACK）。超时重传作用于 unacked。

• SYN_RCVD

  • 被动接受 SYN 后发 SYN|ACK（SYN|ACK 在 unacked），收到对端 ACK 后进入 ESTABLISHED 并释放与 ACK 相关的 unacked 段。

• ESTABLISHED

  • 发送：tcp_write 将数据构造为 tcp_seg 串入 unsent；tcp_output 按 wnd/cwnd/Nagle 将满足条件的段从 unsent 发送并移入 unacked。
  • 接收：按 seq 与 rcv_nxt 判断，按序的数据直接交付（rcv_nxt 前移）；乱序插入 ooseq，后续拼接后交付。
  • 重传：dup-ACK 快速重传或 RTO（基于 unacked）把需要重发的段移回 unsent 或直接发送。

• FIN_WAIT1 / LAST_ACK

  • 发送 FIN 时 FIN 段作为一个 tcp_seg 放入 unsent -> 发送后在 unacked 等待对端的 ACK。收到 ACK 后根据状态转为 FIN_WAIT2 或 CLOSED。

• FIN_WAIT2 / CLOSING

  • 如果先收到对端 FIN，而自身 FIN 仍未被 ACK，状态变为 CLOSING（两端都已发 FIN，等待对方或 ACK）。unacked 仍可能包含本端的 FIN 段。

• TIME_WAIT

  • 双方完成四次挥手且本端最后发 ACK 后进入 TIME_WAIT；通常 unacked 已被确认（无待确认段），PCB 被放到 timewait 列表等待 2MSL 后释放。

• CLOSE_WAIT

  • 被动收到 FIN，交给应用（p==NULL 表示 EOF），应用要调用 tcp_close/tcp_shutdown 触发 FIN 发送（形成 LAST_ACK）。

• 异常（RST/abort）

  • 调用 tcp_abort 会立即发 RST 并释放所有队列（unacked/unsent/ooseq 被丢弃并释放 pbuf）。

• “tcp_seg + pbuf 结构图”：正是 unsent/unacked/ooseq 三条链的节点形态。
  

• “滑动窗口图（snd_wnd/lastack/snd_nxt）”：变量名与图一一对应（lastack、snd_nxt、snd_lbb、snd_wnd）。

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3. “粘包/拆包”在 lwIP 中如何产生与规避

• 产生位置

  • 发送端：tcp_write 的“OVERSIZE 追加/拼接”与 Nagle 算法；网卡/内核的分段合并（TSO/GSO）也会使多个小写合并。
  • 接收端：TCP 是字节流，tcp_receive 可能一次回调给你多个应用“消息”的字节；也可能拆成多次回调。

• 与 IP 分片无关

  • IP 分片发生在 IP 层，目的端重组后才进入 TCP，TCP 仍是连续字节流，不提供消息边界。

• 正确做法

  • 应用协议自带帧：固定长度 / 定界符 / 长度前缀（最常见）。
  • 降低合并概率（并不能恢复“消息边界”）：TCP_NODELAY 关闭 Nagle；配合“批量写”或 MSG_MORE/TCP_CORK 类策略。

• 在 lwIP 的开关

  • 关闭 Nagle：tcp_nagle_disable(pcb) 或 socket 侧 TCP_NODELAY。
  • 大包/MSS：合理设置 TCP_MSS 与路径 MTU，减少 IP 分片，提高效率。

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4. 与抓包字段对齐

• TCP 头字段（你图中“20B首部+标志+窗口”）

  • 源/目的端口：tcphdr->src/dest
  • 序号/确认号：tcphdr->seqno/ackno
  • 首部长度与标志：TCPH_HDRLEN_FLAGS_SET / TCPH_FLAGS()
  • 窗口：tcphdr->wnd（收到时经窗口缩放变更为 snd_wnd/rcv_wnd）
  • 校验和：tcphdr->chksum（ip_chksum_pseudo 计算）

• Wireshark“Len=1452/Seq/Ack/Flags/Win”

  • Len≈MSS，Seq/NextSeq 对应 lwip_ntohl(seg->tcphdr->seqno) 与 TCP_TCPLEN(seg)。
  • Window size value 与 Window size scaling factor 对应 TF_WND_SCALE/snd_scale/rcv_scale。
    

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5. 连接建立/关闭：“三次握手/四次挥手图”

• 主动打开（tcp_connect）

  • 填 remote/local, 分配本地端口、初始 ISS、窗口、MSS。
  • 通过 tcp_enqueue_flags(TCP_SYN) 发送 SYN；进入 SYN_SENT。

• 被动打开（tcp_listen_input）

  • LISTEN 收到 SYN：分配新 pcb（SYN_RCVD），记录对端 wnd/mss，入队 SYN|ACK，tcp_output 发送。
    

• 三次握手达成

  • SYN_SENT 收到 SYN|ACK 且 ack 正确 → ESTABLISHED，回 ACK。
  • SYN_RCVD 收到 ACK（ack 范围正确）→ ESTABLISHED，触发 accept 回调。
    

• 关闭（四次挥手与 TIME_WAIT）

  • tcp_close()/tcp_shutdown() 发送 FIN（tcp_send_fin/tcp_enqueue_flags），状态递进：ESTABLISHED→FIN_WAIT_1→…→TIME_WAIT。
  • 被动关闭收到 FIN：置 TF_GOT_FIN，回 ACK，交给应用 EOF（recv 回调 p==NULL）。
  • TIME_WAIT 定时在 tcp_slowtmr 中清理（2MSL）。
    

实际上用wireshark抓包发现有时候挥手也是三次，四次是为了避免数据没有完全发完罢了。

• 异常/放弃
  • tcp_abort()/tcp_abandon(reset=1)：立刻发 RST 并释放 PCB。
  • 超时与重试次数：SYNMAXRTX / MAXRTX 受限后由慢计时器清理并可选复位。

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6. 窗口、拥塞与定时器

• 发送窗口与拥塞窗口

  • 发送有效窗 wnd=min(snd_wnd, cwnd)。
  • 慢启动/拥塞避免：
    • 初始 cwnd=LWIP_TCP_CALC_INITIAL_CWND(mss)。
    • cwnd<ssthresh：每 ACK 按已确认字节线性增长（每 RTT 近似翻倍）。
    • cwnd≥ssthresh：拥塞避免，按 acked 累计到 1cwnd 时再加 1MSS。

• 快速重传/恢复

  • dupacks≥3：tcp_rexmit_fast(); ssthresh=max(min(cwnd,snd_wnd)/2, 2MSS)，cwnd=ssthresh+3MSS，TF_INFR 进入恢复。

• RTO 重传

  • rtime≥rto：将 unacked 迁回 unsent，cwnd=1*MSS，rto 指数回退，tcp_output 再发。

• 关键计时器

  • tcp_fasttmr() 250ms：发送延迟 ACK（TF_ACK_DELAY）；重试挂起 FIN（TF_CLOSEPEND）；处理 refused_data。
  • tcp_slowtmr() 500ms：
    • RTO/Persist/Keepalive/超时清理（SYN_RCVD/LAST_ACK/TIME_WAIT 等）。
    • 零窗口探测（persist）：tcp_zero_window_probe。
    • ooseq 超时丢弃，防内存占用。

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7. 选项与扩展：MSS/WS/TS/SACK/KEEPALIVE

• 解析（接收）：tcp_parseopt
  • MSS（LWIP_TCP_OPT_MSS）、窗口扩大（WS）、时间戳（TS）、SACK_PERM。
• 发送（控制段/数据段）：tcp_output_segment / tcp_output_fill_options
  • 按 flags 决定是否携带 TS/WS/SACK，SACK 的实际块由接收端的 ooseq 情况决定。
• 保活：tcp_keepalive() 在 tcp_slowtmr 驱动，超出 keep_idle+keep_cnt*keep_intvl 仍无响应则复位连接。

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8. 典型问题

• 小包粘包：查看发送侧是否启用 Nagle（TF_NODELAY），观察 tcp_write 阶段 1/2 是否合并，抓包验证 PSH/段大小。
• 吞吐上不去：确认 MSS/MTU、路径 MTU、窗口扩大（TF_WND_SCALE）、rcv_wnd/snd_wnd/cwnd 的约束。
• 丢包/重传多：看 tcp_slowtmr 中 RTO 是否频繁，dupacks 与快速重传是否发生；定位链路问题或过小的缓冲。
• 收到数据但应用没取：pcb->refused_data 非空；检查上层回调是否及时 tcp_recved()。
• 零窗口死锁：persist 机制是否工作（persist_backoff/pcb->persist_probe），确认对端确实通告 0 窗口。
• 关闭卡住：状态若停在 FIN_WAIT_2/LAST_ACK，结合 tmr 差值（tcp_ticks-pcb->tmr）看是否超时清理。

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9. 参数与调优（lwipopts 相关）

• 性能
  • TCP_SND_BUF / TCP_SND_QUEUELEN：发送缓冲/队列深度。
  • TCP_WND / 窗口扩大（LWIP_WND_SCALE、TCP_RCV_SCALE）。
  • TCP_MSS 与路径 MTU（tcp_eff_send_mss_netif）。
  • TCP_OVERSIZE/TCP_CHECKSUM_ON_COPY：降低 copy/计算开销。
• 可靠性/特性
  • LWIP_TCP_SACK_OUT / LWIP_TCP_TIMESTAMPS / KEEPALIVE。
  • LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF：传输出单 pbuf，提升 DMA 友好性。
• 行为
  • Nagle（默认开）：需要低时延小包时关闭 TCP_NODELAY。
  • 端口复用：SO_REUSEADDR（被动监听/主动连接的 5 元组判重逻辑不同）。

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10. 小结

• 输入链路：tcp_input → tcp_process → tcp_receive 决定 ACK/重排/交付；配合 fast/slow 计时器实现“延迟 ACK、快速重传、RTO、persist、keepalive”。
• 输出链路：tcp_write 分段入队 + tcp_output 受窗口/Nagle 约束下发到 IP；unsent/unacked 队列维护在途数据。
• 粘包/拆包是 TCP 字节流的自然行为，需在应用层做帧化；与 IP 分片无关。

全链路调用顺序如下。
输入链路：NIC_ISR (中断/DMA) → ethernetif_input (low_level_input) → netif->input (tcpip_input) → tcpip_thread (message) → ethernet_input → ip4_input → tcp_input → tcp_process → tcp_receive

输出链路：APP（socket/netconn/raw）→ tcp_write() → 构造 tcp_seg 并追加到 pcb->unsent → tcp_output()（检查 wnd/cwnd/Nagle）→ 填写 TCP/IP 首部（tcp_output_segment）→ ip_output_if()/ip4_output_if() → netif->output（如 ethernetif_output / low_level_output）→ 启动 NIC DMA 发送 → NIC 硬件发帧 → NIC TX 完成中断（NIC_ISR）→ ethernetif 的 TX 完成回调/任务处理（可选通知 tcpip_thread）。

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