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知乎的一个问题很有意思:“为什么在TCP首部中要把TCP的端口号放入最开始的四个字节?”

这种问题很适合我这种搞历史的人,大年初一我给出了一个简短的解释,但仔细探究这个问题,我们将会获得 TCP/IP 被定义的过程。

文顿瑟夫(Vinton Cerf)和罗伯特卡恩(Robert Kahn)的《A Protocol for Packet Network Intercommunication》看似是一个开端,但在当时(1970 年代初)它只是在罗列 NCP 的问题并给出的一个解决方案,事后看这个解决方案就是 TCP/IP。这是典型的从一个方案中诞生的一个新东西。
有此论文作为理论基础,定义和实现在 RFC675 中被展示。问题 “为什么在TCP首部中要把TCP的端口号放入最开始的四个字节?” 也能在其中找到答案。

看一下 RFC675 第 4.2.1 节就够了,最初(1974 年)的 TCP 和 IP 是合在一起的,就叫 TCP,最初的 TCP port 字段放在最后面(仅在校验码之前,24 bit)而不是最前面。但 675 定义的 TCP 合理吗?

50 年过去了,从现在的视角看 50 年前 TCP 的设计可以获得很多启发,Judith Estrin 分享了从文顿瑟夫和罗伯特卡恩那里学到的原则,其中一个是为不确定性做计划,协议不能假设来自下层或上层的任何东西,另一个相关的原则是互连多样性以获得集体力量,而不是同质化扩展。

这意味着 “数据流”,“可靠”,“保序” 的假设应该被去除,同时,应该为 “互连多样性” 抽取一个最小公共集,这样一来 675 就变形了:
在这里插入图片描述

当 UDP 不得不被抽象出来之后,独立出来的 IP 必须单独分离,分离的过程其实是一个非常常规的过程,TCP675 把将要属于最小公共集 IP 的字段一个个往前挪到独立的 IP 头是最自然的做法。这个过程一直持续到最后端口字段,由于 UDP 也需要它来解复用,这两个字段本不属于 IP,自然不能往前挪,但由于当时只有 TCP 和 UDP 两个协议,且 TCP 和 UDP 都需要端口,就判断它虽不属于最小公共集,但属于独立解复用的 “子层”,这样它们就紧挨着 IP 的最后,处在 IP 和 TCP/UDP 之间,所以还是挪了,这就造成了如今 TCP,UDP 协议头的格局,端口处在最前面的 4 个字节。

这样的协议头带来一个非常好的正向副作用,当路由器交换机这些转发节点需要进行包分类时,可以快速定位端口号,从而高效识别五元组,这在侧面催生并加强了防火墙,NAT 等 mid-box 向高性能方向发展。

另一方面, ICMP,隧道封装协议,路由控制协议,这类控制协议并非端应用或服务,并不需要端口来解复用,它们多属于 TCP/IP 协议族的控制平面,也就自然而然与 TCP,UDP 并列了,通过 IP 协议的 protocol 字段来识别解复用。

但总有人玩花活儿,看不上 TCP,又不基于 UDP 之上构建,却在 134~254 间新开辟一个独立的协议号,以示创新。设计这个新协议的初衷是嫌 16-bit 端口号不够用,想使用 24-bit 端口号。但这真的需要开辟一个新协议号吗?

TCP/IP 的灵活性和可扩展性简直炸天,但凡想对 TCP/IP 大动筋骨的思路很大概率都是错的,甚至不需要微创,它本身的扩展性就足以满足几乎任何需求。事实上是玩花活儿的人误解了做事的目标,目标不是解决端口不够用的问题,而是解决复用度的问题,要么参考我此前的端口不均衡的思路,要么就让 UDP 仅作为一个负载均衡层,在 UDP 之上构建 24-bit 端口号的新协议。

很多改造 TCP 的想法都可在 UDP 上实现,首先我在 UDP 上照抄一份 TCP 代码,UDP 仍只做负载均衡层,然后修改这些 TCP 代码,比如把端口号改成 24-bit,支持 NACK,修改 RTO 机制,修改 SACK 机制,使用保留 bit 等等。

回到文初的问题,现在可以一句话回答了,“为什么在TCP首部中要把TCP的端口号放入最开始的四个字节?”,因为 “TCP/IP 最初的诞生过程中偶然在 TCP|UDP 和 IP 之间引入了一个 ‘解复用子层’,这个子层就是目标端口和源端口”。

如果说 TCP/IP 的缺陷,和其它任何现代工业设施一样,确实是 “低估了数字”,8-bit 网络号被 32-bit IP 地址替换,但还是不够,16-bit 端口号虽可基于 UDP 加层扩展,但很麻烦,这就像停车位永远不够,固定电话频繁升位一样,一开始人们总觉得足够大,但很快就不够用。

浙江温州皮鞋湿,下雨进水不会胖。

http://www.khdw.cn/news/50090.html

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