两将军问题和TCP三次握手

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两将军问题，又被称为两将军悖论、两军问题， 是一个经典的计算机思想实验。

首先， 为避免混淆，我们需要认识到两将军问题虽然与拜占庭将军问题相关，但两者不是一个东西。拜占庭将军问题是一个更通用的两将军问题版本， 通常在分布式系统故障容错、区块链中广泛讨论也会犹豫。

1.两将军问题

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两支军队，驻扎在两个山头，准备攻击山谷里的同一伙敌人，两将军只有同时发起进攻才能获胜，两将军约定攻击时间的的唯一方式是派遣信使通过山谷，山谷处于敌占区。
如果信使被俘获了，那么攻击信息将会丢失。

现象一：A将军先派遣信使向 B 将军传递“晚上 10 点一起进攻”，但是 A 将军不知道信使能否穿越敌占区，由于担心自己成为唯一进攻方，A 将军可能会犹豫是否按计划进攻；此时 B 将军收到后可以派遣信使确认收到，B的信使也可能被俘获，由于担心A没有收到确认信号而退缩，B将军也会犹豫；再次确认也不能解决，因为再次确认的新信使也可能被俘获。因此交替确认是无止尽的。

现象二：将军A派遣信使，过了很长时间未收到回复，将军A不知道是自己的信使被俘获了还是将军B的确认信使被俘获了。

我们意识到即使双方不断确认已收到对方的上一条信息，也无法确保对方已与自己达成共识。

两将军问题是无解的，目前的tcp三次握手、四次挥手都是工程解(这个一会再聊)。

2.两将军问题的头脑风暴

许多人试图解决/缓解双将军问题，提出了一些能落地的实践。

这里我们依旧假设通道的不确定性，信使只会被俘获，但是不会叛变篡改。

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2.1 霰弹打鸟

如果A将军每次派遣100名信使(编号1到100)，期待B将军最差也能收到一名信使的信息。

B将军根据收到的信使数量，评估这条通道的可靠性，并根据概率也派遣合适数量的确认信使。

eg:  A将军派遣100信使，B将军收到10名信使的信息，B将军基本可确认这条信道可靠度为10%，B将军最少应派出10名信使(根据概率会有1名信使到达对岸)。

2.2 间歇性重试

霰弹打鸟的姿势太费信使了，但至少可帮助B将军提高信心，达成共识。

还有一种少费信使(并能提高将军信心)的策略，假设跨越山谷到达对岸并返回耗时20min， A将军可间隔20min派遣信使到对岸，直到收到对岸B将军的首次信使确认(就不再派遣)。

以上两种策略是对速度和成本的权衡，采用哪一种取决于哪一种更适合我们遇到的问题。

3. 为什么说tcp三次握手[1]是双将军问题的工程解？

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知乎上有个问题： TCP 为什么是三次握手，而不是两次或四次？[2]
有三个回答角度。

  • • ① TCP 为什么是三次握手，而不是两次或四次？- 朋克雪球兔的回答 - 知乎[3]

  • • ② (TCP 为什么是三次握手，而不是两次或四次？- 车小胖的回答 - 知乎[4]

  • • ③ TCP 为什么是三次握手，而不是两次或四次？- wuxinliulei的回答 - 知乎[5]

希望大家仔细读一读。

首先我们要知道：

三次握手是为了在两个方向上同步(syn)序列号(seq=m)，同步一次序列号需要一去一回两个包，俩方向就4个包。第2，3个包由一侧发出可以合并到一起所以最后三个包。

但是根据双将军问题，谁说一来一回两个包就能确保同步成功。

为了缓解双将军问题，tcp3次握手增加了超时重试的机制。(注意：重试只在信息同步的发起方)

第一个包：A发送给B的SYN中途丢失，没有到达B

A会周期性超时重传，直到收到B的确认。

第二个包，即是发送给A的SYN+ACK 中途丢失，没有到达A

B会周期性超时重传，直到收到A的确认，此时第一个包A也会重试SYN

第三个包：即A发送给B的ACK 中途丢失，没有到达B

A发完ACK，单方面认为tcp Established状态，而B显然认为tcp为Active状态。

a. 假定此时双方都没有数据发送，B会周期性超时重传，直到收到A的确认，收到之后B的TCP 连接也为 Established状态，双向可以发包。

b. 假定此时A有数据发送，B收到A的 Data + ACK，自然会切换为established 状态，并接受A的 Data。

c. 假定B有数据发送，数据发送不了，会一直周期性超时重传SYN + ACK，直到收到A的确认才可以发送数据。

  • • https://finematics.com/two-generals-problem/

    • https://www.bilibili.com/read/cv16604716

总结

本文记录了两将军问题: 对于不可靠信道，无数次确认都不能百分百达成可靠共识。

TCP 三次握手是在两个方向确认包的序列号， 增加了超时重试， 是两将军问题的一个工程解。（本文部分内容提炼自知乎，感谢这届网友的智慧）

  • 引用链接

[1] tcp三次握手: https://blog.csdn.net/weixin_35942339/article/details/112733885
[2] TCP 为什么是三次握手，而不是两次或四次？: https://www.zhihu.com/question/24853633/answer/573627478
[3] TCP 为什么是三次握手，而不是两次或四次？- 朋克雪球兔的回答 - 知乎: https://www.zhihu.com/question/24853633/answer/200721662
[4] (TCP 为什么是三次握手，而不是两次或四次？- 车小胖的回答 - 知乎: https://www.zhihu.com/question/24853633/answer/115173386
[5] TCP 为什么是三次握手，而不是两次或四次？- wuxinliulei的回答 - 知乎: https://www.zhihu.com/question/24853633/answer/63668444

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