2015软件水平测试：TCP协议的部分解析(2)

端到端意义上的TCP协议效率

　　1.三个问题以及解决

　　问题1描述：接收端处理慢，导致接收窗口被填满

　　这明显是速率不匹配引发的问题，然而即使速率不匹配，只要滑动窗口能协调好它们的速率就好，要快都快，要慢都慢，事实上滑动窗口在这一点上做的很好。但是如果我们不得不从效率上来考虑问题的话，事实就不那么乐观了。考虑此时接收窗口已然被填满，慢速的应用程序慢腾腾的读取了一个字节，空出一个位置，然后通告给TCP的发送端，发送端得知空出一个位置，马上发出一个字节，又将接收端填满，然后接收应用程序又一次慢腾腾...这就是糊涂窗口综合症，一个大多数人都很熟悉的词。这个问题极大的浪费了网络带宽，降低了网络利用率。好比从大同拉100吨煤到北京需要一辆车，拉1Kg煤到北京也需要一辆车(超级夸张的一个例子，请不要相信)，但是一辆车开到北京的开销是一定的...

　　问题1解决：窗口通告

　　对于问题1，很显然问题出在接收端，我们没有办法限制发送端不发送小分段，但是却可以限制接收端通告小窗口，这是合理的，这并不影响应用程序，此时经典的延迟/吞吐量反比律将不再适用，因为接收窗口是满的，其空出一半空间表示还有一半空间有数据没有被应用读取，和其空出一个字节的空间的效果是一样的，因此可以限制接收端当窗口为0时，直接通告给发送端以阻止其继续发送数据，只有当其接收窗口再次达到MSS的一半大小的时候才通告一个不为0的窗口，此前对于所有的发送端的窗口probe分段(用于探测接收端窗口大小的probe分段，由TCP标准规定)，全部通告窗口为0，这样发送端在收到窗口不为0的通告，那么肯定是一个比较大的窗口，因此发送端可以一次性发出一个很大的TCP分段，包含大量数据，也即拉了好几十吨的煤到北京，而不是只拉了几公斤。

　　即，限制窗口通告时机，解决糊涂窗口综合症

　　问题2描述：发送端持续发送小包，导致窗口闲置

　　这明显是发送端引起的问题，此时接收端的窗口开得很大，然而发送端却不积累数据，还是一味的发送小块数据分段。只要发送了任和的分段，接收端都要无条件接收并且确认，这完全符合TCP规范，因此必然要限制发送端不发送这样的小分段。

　　问题2解决：Nagle算法

　　Nagel算法很简单，标准的Nagle算法为：

　　IF 数据的大小和窗口的大小都超过了MSS

　　Then 发送数据分段

　　ELSE

　　IF 还有发出的TCP分段的确认没有到来

　　Then 积累数据到发送队列的末尾的TCP分段

　　ELSE

　　发送数据分段

　　EndIF

　　EndIF

　　可是后来，这个算法变了，变得更加灵活了，其中的：

　　IF 还有发出的TCP分段的确认没有到来

　　变成了

　　IF 还有发出的不足MSS大小的TCP分段的确认没有到来

　　这样如果发出了一个MSS大小的分段还没有被确认，后面也是可以随时发送一个小分段的，这个改进降低了算法对延迟时间的影响。这个算法体现了一种自适应的策略，越是确认的快，越是发送的快，虽然Nagle算法看起来在积累数据增加吞吐量的同时也加大的时延，可事实上，如果对于类似交互式的应用，时延并不会增加，因为这类应用回复数据也是很快的，比如Telnet之类的服务必然需要回显字符，因此能和对端进行自适应协调。

　　注意，Nagle算法是默认开启的，但是却可以关闭。如果在开启的情况下，那么它就严格按照上述的算法来执行。

　　问题3.确认号(ACK)本身就是不含数据的分段，因此大量的确认号消耗了大量的带宽

　　这是TCP为了确保可靠性传输的规范，然而大多数情况下，ACK还是可以和数据一起捎带传输的。如果没有捎带传输，那么就只能单独回来一个ACK，如果这样的分段太多，网络的利用率就会下降。从大同用火车拉到北京100吨煤，为了确认煤已收到，北京需要派一辆同样的火车空载开到大同去复命，因为没有别的交通工具，只有火车。如果这位复命者刚开着一列火车走，又从大同来了一车煤，这拉煤的哥们儿又要开一列空车去复命了。

　　问题3的解决：

　　RFC 建议了一种延迟的ACK，也就是说，ACK在收到数据后并不马上回复，而是延迟一段可以接受的时间，延迟一段时间的目的是看能不能和接收方要发给发送方的数据一起回去，因为TCP协议头中总是包含确认号的，如果能的话，就将ACK一起捎带回去，这样网络利用率就提高了。往大同复命的确认者不必开一辆空载火车回大同了，此时北京正好有一批货物要送往大同，这位复命者搭着这批货的火车返回大同。

　　如果等了一段可以接受的时间，还是没有数据要发往发送端，此时就需要单独发送一个ACK了，然而即使如此，这个延迟的ACK虽然没有等到可以被捎带的数据分段，也可能等到了后续到来的TCP分段，这样它们就可以取者一起返回了，要知道，TCP的确认号是收到的按序报文的最后一个字节的后一个字节。最后，RFC建议，延迟的ACK最多等待两个分段的积累确认。

　　2.分析三个问题之间的关联

　　三个问题导致的结果是相同的，但是要知道它们的原因本质上是不同的，问题1几乎总是出现在接收端窗口满的情况下，而问题2几乎总是发生在窗口闲置的情况下，问题3看起来是最无聊的，然而由于TCP的要求，必须要有确认号，而且一个确认号就需要一个TCP分段，这个分段不含数据，无疑是很小的。

　　三个问题都导致了网络利用率的降低。虽然两个问题导致了同样的结果，但是必须认识到它们是不同的问题，很自然的将这些问题的解决方案汇总在一起，形成一个全局的解决方案，这就是如今的操作系统中的解决方案。

　　3.问题的杂糅情况

　　疑难杂症11：糊涂窗口解决方案和Nagle算法

　　糊涂窗口综合症患者希望发送端积累TCP分段，而Nagle算法确实保证了一定的TCP分段在发送端的积累，另外在延迟ACK的延迟的那一会时间，发送端会利用这段时间积累数据。然而这却是三个不同的问题。Nagle算法可以缓解糊涂窗口综合症，却不是治本的良药。

　　疑难杂症12：Nagle算法和延迟ACK

　　延迟ACK会延长ACK到达发送端的时间，由于标准Nagle算法只允许一个未被确认的TCP分段，那无疑在接收端，这个延迟的ACK是毫无希望等待后续数据到来最终进行积累确认的，如果没有数据可以捎带这个ACK，那么这个ACK只有在延迟确认定时器超时的时候才会发出，这样在等待这个ACK的过程中，发送端又积累了一些数据，因此延迟ACK实际上是在增加延迟的代价下加强了Nagle算法。在延迟ACK加Nagle算法的情况下，接收端只有不断有数据要发回，才能同时既保证了发送端的分段积累，又保证了延迟不增加，同时还没有或者很少有空载的ACK。

　　要知道，延迟ACK和Nagle是两个问题的解决方案。

　　疑难杂症13：到底何时可以发送数据

　　到底何时才能发送数据呢?如果单从Nagle算法上看，很简单，然而事实证明，情况还要更复杂些。如果发送端已经排列了3个TCP分段，分段1，分段2，分段3依次被排入，三个分段都是小分段(不符合Nagle算法中立即发送的标准)，此时已经有一个分段被发出了，且其确认还没有到来，请问此时能发送分段1 和2吗?如果按照Nagle算法，是不能发送的，但实际上它们是可以发送的，因为这两个分段已经没有任何机会再积累新的数据了，新的数据肯定都积累在分段 3上了。问题在于，分段还没有积累到一定大小时，怎么还可以产生新的分段?这是可能的，但这是另一个问题，在此不谈。

　　Linux的TCP实现在这个问题上表现的更加灵活，它是这么判断能否发送的(在开启了Nagle的情况下)：

　　IF (没有超过拥塞窗口大小的数据分段未确认 || 数据分段中包含FIN ) &&

　　数据分段没有超越窗口边界

　　Then

　　IF 分段在中间(上述例子中的分段1和2) ||

　　分段是紧急模式 ||

　　通过上述的Nagle算法(改进后的Nagle算法)

　　Then 发送分段

　　EndIF

　　EndIF

　　曾经我也改过Nagle算法，确切的说不是修改Nagle算法，而是修改了“到底何时能发送数据”的策略，以往都是发送端判断能否发送数据的，可是如果此时有延迟ACK在等待被捎带，而待发送的数据又由于积累不够或者其它原因不能发送，因此两边都在等，这其实在某些情况下不是很好。我所做的改进中对待何时能发送数据又增加了一种情况，这就是“ACK拉”的情况，一旦有延迟ACK等待发送，判断一下有没有数据也在等待发送，如果有的话，看看数据是否大到了一定程度，在此，我选择的是MSS的一半：

　　IF (没有超过拥塞窗口大小的数据分段未确认 || 数据分段中包含FIN ) &&

　　数据分段没有超越窗口边界

　　Then

　　IF 分段在中间(上述例子中的分段1和2) ||

　　分段是紧急模式 ||

　　通过上述的Nagle算法(改进后的Nagle算法)

　　Then 发送分段

　　EndIF

　　ELSE IF 有延迟ACK等待传输 &&

　　发送队列中有待发送的TCP分段 &&

　　发送队列的头分段大小大于MSS的一半

　　Then 发送队列头分段且捎带延迟ACK

　　EndIF

　　另外，发送队列头分段的大小是可以在统计意义上动态计算的，也不一定非要是MSS大小的一半。我们发现，这种算法对于交互式网路应用是自适应的，你打字越快，特定时间内积累的分段就越长，对端回复的越快(可以捎带ACK)，本端发送的也就越快(以Echo举例会更好理解)。

　　疑难杂症14：《TCP/IP详解(卷一)》中Nagle算法的例子解读

　　这个问题在网上搜了很多的答案，有的说RFC的建议，有的说别的。可是实际上这就是一个典型的“竞态问题”：

　　首先服务器发了两个分段：

　　数据段12：ack 14

　　数据段13：ack 14，54:56

　　然后客户端发了两个分段：

　　数据段14：ack 54，14:17

　　数据段15：ack 56，17:18

　　可以看到数据段14本来应该确认56的，但是确认的却是54。也就是说，数据段已经移出队列将要发送但还未发送的时候，数据段13才到来，软中断处理程序抢占了数据段14的发送进程，要知道此时只是把数据段14移出了队列，还没有更新任何的状态信息，比如“发出但未被确认的分段数量”，此时软中断处理程序顺利接收了分段13，然后更新窗口信息，并且检查看有没有数据要发送，由于分段14已经移出队列，下一个接受发送检查的就是分段15了，由于状态信息还没有更新，因此分段15顺利通过发送检测，发送完成。

　　可以看Linux的源代码了解相关信息，tcp_write_xmit这个函数在两个地方会被调用，一个是TCP的发送进程中，另一个就是软中断的接收处理中，两者在调用中的竞态就会引起《详解》中的那种情况。注意，这种不加锁的发送方式是合理的，也是效的，因此TCP的处理语义会做出判断，丢弃一切不该接收或者重复接收的分段的。

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