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# 22.1 TCP/IP 协议栈

## TCP/IP 协议栈

传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）是互联网协议族（Internet Protocol Suite）中的核心传输层协议，软件实现体系称作 TCP 栈（采用层次化结构进行组织，因此称“栈”）。Vint Cerf 和 Bob Kahn 于 1974 年在论文《A Protocol for Packet Network Intercommunication》中首次提出 TCP 的核心思想（当时为传输与网络转发合一的单一协议），后经迭代，约在 1978 至 1979 年间决定将 TCP 与 IP 拆分为两个独立协议，并于 1981 年 9 月分别发布为 RFC 791（IP）和 RFC 793（TCP）。RFC 9293 已于 2022 年 8 月取代了 RFC 793，前者为当前 TCP 协议的最新标准规范。

TCP 栈提供端到端的可靠数据传输、拥塞控制、流量控制等关键功能。不同于其他主流操作系统，FreeBSD 创新性地实现了多 TCP 栈共存架构，该架构允许系统同时加载多个 TCP 协议栈实现，并可为不同的网络连接或系统全局选用不同的 TCP 栈。

当前主要开发与维护工作集中于 RACK 栈（RACK 算法最初出自 Google，FreeBSD 的 tcp\_rack 栈实现出自 Netflix 的 Randall Stewart）和基础栈（基于 4.4BSD 经典栈实现演化而来，默认拥塞算法是 CUBIC）。

FreeBSD 多 TCP 栈共存架构示意如下：

![FreeBSD 多 TCP 栈共存架构](/files/KQwmcEzoc3F7ASvnxEzC)

## 使用 RACK 栈

如需启用 RACK 栈，先确认加载内核模块 `tcp_rack.ko` 并即时切换默认 TCP 栈：

```sh
# kldload tcp_rack
# sysctl net.inet.tcp.functions_default=rack
```

如需重启后保持配置，将以下内容分别写入 **/boot/loader.conf** 与 **/etc/sysctl.conf**：

```sh
# echo 'tcp_rack_load="YES"' >> /boot/loader.conf
# echo 'net.inet.tcp.functions_default=rack' >> /etc/sysctl.conf
```

重启系统或加载内核模块后，用以下命令显示系统中可用 TCP 栈列表：

```sh
# sysctl net.inet.tcp.functions_available
net.inet.tcp.functions_available:
Stack                           D Alias                            PCB count
freebsd                           freebsd                          3
rack                            * rack                             0
```

输出中标记 `*` 的栈为当前系统默认使用的 TCP 协议栈。

## BBR 拥塞控制算法

BBR（Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time，瓶颈带宽与往返传播时间）目标包括：

* 充分利用可用网络带宽。
* 最小化网络传输延迟。

BBR 不以丢包为拥塞信号，而是根据探测到的带宽和延迟动态调整发送速率，在高带宽长延迟的网络环境中更具优势。BBR 在 Linux 中作为拥塞控制模块实现，但在 FreeBSD 中被实现为独立的 TCP 栈（`tcp_bbr`），通过 `net.inet.tcp.functions_default` 进行切换。

## BBR 在 FreeBSD 中的实现与应用

将 `tcp_bbr` 模块加载并设为默认 TCP 栈：

```sh
# kldload tcp_bbr
# sysctl net.inet.tcp.functions_default=bbr
```

持久化配置：

```sh
# echo 'tcp_bbr_load="YES"' >> /boot/loader.conf
# echo 'net.inet.tcp.functions_default=bbr' >> /etc/sysctl.conf
```

重启系统后，查看当前系统使用的默认 TCP 栈：

```sh
# sysctl net.inet.tcp.functions_default
```

如果输出结果为 `net.inet.tcp.functions_default: bbr`，则 TCP BBR 启用成功。

## 故障排除与未竟事宜

在测试环境中，RACK 和 BBR 在局域网中表现良好，但在互联网环境下带宽显著下降：RACK 约为默认栈的三分之一，BBR 约为默认栈的六分之一。该测试在特定网络条件下完成（如高延迟跨境链路），实际性能可能因网络环境而异。需注意，RACK 与 BBR 的设计目标是提升而非降低吞吐量，上述结果可能源于特定丢包/延迟环境的系统性偏差，不代表这些栈在典型部署场景中的表现。

## 参考文献

* Netflix. netflix/tcplog\_dumper\[EB/OL]. \[2026-03-26]. <https://github.com/netflix/tcplog_dumper>. Netflix 开源项目，提供 TCP 日志转储工具，为 TCP 协议分析提供实用工具。
* Cheng Y, Cardwell N, Dukkipati N, et al. The RACK-TLP Loss Detection Algorithm for TCP: RFC 8985\[S/OL]. (2021-02)\[2026-04-17]. <https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc8985>. RACK-TLP 丢包检测算法的 IETF 标准文档，Google Yuchung Cheng、Neal Cardwell 等人撰写。
* FreeBSD Project. tcp -- Internet Transmission Control Protocol\[EB/OL]. \[2026-04-14]. <https://man.freebsd.org/cgi/man.cgi?query=tcp&sektion=4>. TCP 协议栈手册页，描述传输控制协议实现与套接字选项。
* FreeBSD Project. ip -- Internet Protocol\[EB/OL]. \[2026-04-14]. <https://man.freebsd.org/cgi/man.cgi?query=ip&sektion=4>. IP 协议手册页，描述网际协议实现与套接字选项。

## 课后习题

1. 依次启用 FreeBSD 默认栈、RACK 栈和 BBR 栈，使用 `iperf3` 在局域网和互联网环境中分别测试吞吐量和延迟，记录三种栈在不同网络场景下的性能差异，并从拥塞控制算法原理角度分析差异成因。
2. 查阅 `tcp_bbr` 模块的源代码，找出控制 BBR 算法行为的关键参数，修改其中两个参数并重新加载模块，记录参数变化对传输性能的影响。
3. 分析 FreeBSD 多 TCP 栈共存架构的实现机制，设计一个测试场景，在同一系统中为不同网络连接指定不同的 TCP 栈，记录配置方法与验证结果。


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