提高TCP的網(wǎng)絡(luò)利用率的二個思考

我們都知道，TCP是一個基于字節(jié)流的可靠傳輸協(xié)議。意思著TCP本身把所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)當(dāng)做一個字節(jié)流來處理，而上層應(yīng)用發(fā)送的數(shù)據(jù)，總是一段段有長有短，有開始有結(jié)束的有意義的有限長度數(shù)據(jù)報。然后TCP只知道這是個字節(jié)流，它并不知道哪些字節(jié)能組成一個完整的有意義的數(shù)據(jù)報。然而TCP底下的IP層又是一個基于數(shù)據(jù)報文的協(xié)議，所以TCP根據(jù)自己的算法來截斷和組合字節(jié)流形成一個個IP報文。

• 提高有效數(shù)據(jù)和TCPIP首部數(shù)據(jù)長度比：
  如果網(wǎng)絡(luò)上大量的發(fā)送小包（比如40個字節(jié)的IP+TCP頭部+1個字節(jié)有有效數(shù)據(jù)）的情況下，大部分的網(wǎng)絡(luò)資源都用來傳輸對應(yīng)用層沒有意義的TCPIP首部了，所以網(wǎng)絡(luò)的利用率是很低的，要提高利用率，就可以減少小包的比率，盡量讓每個TCP報文所攜帶的用戶數(shù)據(jù)變長，比如，將多個用戶數(shù)據(jù)報文組合成一個TCP報文后再發(fā)送。
• 減少ACK的數(shù)量：
  如果給每一個TCP發(fā)送請求都回復(fù)一個ACK，而TCP的每個ACK通告發(fā)送的端的是在此序列之前的所有TCP數(shù)據(jù)都已經(jīng)傳送完成，那么如何減少ACK這種不傳送有效用戶 數(shù)據(jù)的報文的數(shù)量，就成為了提高網(wǎng)絡(luò)利用率考慮的另外一個方面。

解決方案：Nagle算法和delayed ack（延時發(fā)送和延時應(yīng)答與稍帶應(yīng)答選項）

• Nagle算法-延時發(fā)送
  Nagle算法就是為了盡可能發(fā)送大塊數(shù)據(jù)，避免網(wǎng)絡(luò)中充斥著許多小數(shù)據(jù)塊。Nagle算法的核心定義是： 任意時刻，最多只能有一個未收對確認(rèn)報文（發(fā)送端沒有收到接收端發(fā)回的確認(rèn)本報文的ACK消息）的小于MSS尺寸的報文。
  具體如以下規(guī)則，以保證發(fā)送方不會過于頻繁的發(fā)送小報文：
  （1）如果等待發(fā)送的數(shù)據(jù)的長度達到MSS，則允許發(fā)送；
  （2）設(shè)置了TCP_NODELAY選項（關(guān)閉Nagle算法），則允許發(fā)送；
  （3）如果所有的小于MSS的報文都已經(jīng)被確認(rèn)，則允許發(fā)送；
  （4）如果發(fā)生了超時（一般為200ms），則允許發(fā)送。
  Nagle算法的目標(biāo)是發(fā)送端做控制，以達到避免網(wǎng)絡(luò)擁塞并提高網(wǎng)絡(luò)有效利用率的目標(biāo)。

• delayed ack-延時應(yīng)答與稍帶應(yīng)答
  我們知道TCP是雙向通信的。所以延時應(yīng)答和稍帶應(yīng)答的邏輯很簡單，收到TCP報文后，并不立刻發(fā)回應(yīng)答，而是等待一段時間，等某些條件滿足后再發(fā)回應(yīng)答。
  這樣個延時提供了三個可能性：
  （1）多個數(shù)據(jù)一起收全后合并多個應(yīng)答成一個應(yīng)答，從而減少了應(yīng)答數(shù)量
  （2）延時這段時間里應(yīng)用層收走了更多的TCP報文，可以給發(fā)送發(fā)通告一個更大的發(fā)送窗口，從而提高了網(wǎng)絡(luò)利用率
  （3）應(yīng)答和窗口更新通告以及接收發(fā)發(fā)送給發(fā)送方的反向應(yīng)用層數(shù)據(jù)在一個報文里發(fā)送，從而減少了報文數(shù)量

具體規(guī)則如下：
（1）每到達200ms ---------發(fā)送應(yīng)答
（2）每兩個數(shù)據(jù)包----------發(fā)送應(yīng)答
（3）接收方應(yīng)用層有數(shù)據(jù)要求發(fā)送回發(fā)送方，并且有接收方要發(fā)送的數(shù)據(jù)包達到發(fā)送條件–由數(shù)據(jù)發(fā)送帶回應(yīng)答。

Nagle算法和delayed ack算法同時啟動可能會導(dǎo)致的問題

這在某些應(yīng)用場景下會導(dǎo)致一個典型的“發(fā)-發(fā)-收”的場景問題，即：接收方要在收到二個TCP小報文，并在應(yīng)用層將二個報文合并后再完成應(yīng)用層處理后，然后再把應(yīng)用層響應(yīng)結(jié)果發(fā)送回發(fā)送方的場景。

如下圖所示：
1）發(fā)送方發(fā)送第一個小報文給接收方
2）接收方應(yīng)用層收到第一個報文，并等待第二個小報文的到來
3）接收方delayed ack，不發(fā)回TCP應(yīng)答
4）發(fā)送放Nagle算法，沒有等到第一個小報文的TCP應(yīng)答，則不發(fā)送第二個小報文
5) 接收方和發(fā)送方相互等待死鎖，直到接收方的delayer ack的200ms定時器超時，發(fā)送回TCP應(yīng)答ACK
6）發(fā)送方發(fā)送第二個小報文給接收方
7）接收方應(yīng)用層收到第一和第二兩個小報文，處理后發(fā)回應(yīng)用層響應(yīng)（捎帶回TCP應(yīng)答ACK）
則相比于不開啟nagle或者不開啟delayed ack（二者只要有一個不開啟，或者二個都不開啟)，則我們可以看到第5步這里，我們白白的多等待了200ms。