TCP协议之网络延时

影响TCP 网络时延的因素

  • 硬件速度
  • 网络和服务器的负载
  • 请求和响应报文的尺寸
  • 客户端和服务器之间的距离
  • TCP 协议的技术复杂性

TCP协议产生的时延

  • TCP 连接建立握手;
  • TCP 慢启动拥塞控制;
  • 数据聚集的 Nagle 算法;
  • 用于捎带确认的 TCP 延迟确认算法;
  • TIME_WAIT 时延和端口耗尽。

TCP连接建立

TCP连接的建立,需要经历3个报文的交互过程,沟通相关连接参数,这个过程称为三次握手(three-way handshake)。

因此,如果在每次发送数据之前,都重新建立一次TCP连接,那么建立连接的耗时将对性能产生较大的影响(特别是在发送少量数据的情况下)。

三次握手四次挥手(参考自coolshell)

优化方法

建立长连接,多次数据的发送复用同一条连接。

TCP慢启动

如果在发送方和接收方之间存在多个路由器和速率较慢的链路,此时多个发送方一开始便向网络发送多个报文段,由于受网络传输和服务端处理能力的影响,一些中间路由器必须缓存分组,并有可能最终耗尽存储器的空间,因而更多的报文发送将使网络出现拥塞。

TCP慢启动(slow start),就是用于防止因特网的突然过载和拥塞的一种流量控制机制

慢启动为发送方的TCP增加了一个窗口:拥塞窗口(congestion window),简称cwnd。

刚建立连接时,拥塞窗口被初始化为1个报文段。每收到一个ACK,拥塞窗口就增加一个报文段。发送方取拥塞窗口与接收方通告窗口中的最小值作为发送上限。

也就是说,TCP连接会随着时间进行自我“调谐”,起初会限制连接的最大速度,如果数据成功传输,会随着时间的推移提高传输的速度。

注:拥塞窗口是发送方使用的流量控制,而通告窗口则是接收方使用的流量控制。

优化方法

采用长连接,避免每次建立连接后的慢启动。

Nagle算法

在广域网上,小分组会增加网络拥塞出现的可能性。Nagle算法(根据其发明者John Nagle命名)旨在收集这些小分组,以一个分组的方式发出去,以提高网络效率

该算法要求一个TCP连接上最多只能有一个未被确认的未完成的小分组,在该分组的确认到达之前不能发送其他的小分组。

该算法的优越之处在于它是自适应的:确认到达得越快,数据也就发送得越快。

Nagle 算法会引发以下性能问题

  • 当报文无法填满一个分组时,需要等待其他额外数据;
  • Nagle算法会阻止数据的发送,直到有确认分组抵达为止,但确认分组自身会被延迟确认算法延迟 100 ~ 200 毫秒。

算法伪代码

if there is new data to send
  if the window size >= MSS and available data is >= MSS
    send complete MSS segment now
  else
    if there is unconfirmed data still in the pipe
      enqueue data in the buffer until an acknowledge is received
    else
      send data immediately
    end if
  end if
end if

优化方法

对于实时性要求较高的应用场景,可以通过设置TCP_NODELAY参数来关闭Nagle算法,提高性能。

延时确认算法

通常TCP在接收到数据时并不立即发送ACK;相反,它推迟发送,以便将ACK与需要沿该方向发送的数据一起发送

有时称这种现象为数据捎带ACK,由于确认报文通常很小,所以TCP允许在发往相同方向的输出数据分组中对其进行“捎带”。

绝大多数实现采用的时延为200ms,也就是说,TCP将以最大200ms的时延等待是否有数据一起发送。

通常,延迟确认算法会引入相当大的时延。

优化方法

根据所使用操作系统的不同,可以调整或禁止延迟确认算法。(这个方法我没尝试过)

TIME_WAIT状态

TIME_WAIT状态也称为2MSL等待状态。

当某个 TCP 端点关闭 TCP 连接时, 会在内存中维护一个小的控制块,用来记录最近所关闭连接的 IP 地址和端口号。

这类信息只会维持一小段时间,通常是所估计的报文段最大生存时间的的两倍(称为2MSL,通常为2分钟左右),以确保在这段时间内不会创建具有相同地址和端口号的新连接。

实际上,这个算法可以防止在两分钟内创建、关闭并重新创建两个具有相同IP地址和端口号的连接

将 2MSL 的值取为 2 分钟是有历史原因的。很早以前,路由器的速度还很慢,人们估计,在将一个分组的复制副本丢弃之前,它可以在因特网队列中保留最多一分钟的时间。现在,最大分段生存期要小得多了。

  • 报文段最大生存时间MSL(Maximum Segment Lifetime),是指任何报文段被丢弃前在网络中的最长生存时间。

  • RFC 793 [Postel 1981c]指出MSL为2分钟。然而,实现中的常用值是30秒,1分钟或2分钟。

优化方法

  • 打开tcp_tw_reuse,让程序可以重用处于TIME_WAIT状态的端口。如果使用tcp_tw_reuse,必需设置tcp_timestamps=1(默认值)。(这个对于快速重启某些服务很有用,特别是服务端程序)
  • 打开tcp_tw_recycle,让处于TIME_WAIT状态的套接字更快的回收。

对于该设置,通常由专业运维同事在服务器上做好相关配置。

关于TIME_WAIT问题,更详细介绍可阅读耗子叔的这篇文章《TCP 的那些事儿(上)》:

TCP 的那些事儿(上)


参考

《TCP/IP详解卷1: 协议》

《HTTP权威指南》

TCP 的那些事儿(上)

维基百科


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