提高TCP的網(wǎng)絡(luò)利用率的二個(gè)思考

我們都知道，TCP是一個(gè)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(gè)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(zhǎng)有短，有開始有結(jié)束的有意義的有限長(zhǎng)度數(shù)據(jù)報(bào)。然后TCP只知道這是個(gè)字節(jié)流，它并不知道哪些字節(jié)能組成一個(gè)完整的有意義的數(shù)據(jù)報(bào)。然而TCP底下的IP層又是一個(gè)基于數(shù)據(jù)報(bào)文的協(xié)議，所以TCP根據(jù)自己的算法來截?cái)嗪徒M合字節(jié)流形成一個(gè)個(gè)IP報(bào)文。

• 提高有效數(shù)據(jù)和TCPIP首部數(shù)據(jù)長(zhǎng)度比：
  如果網(wǎng)絡(luò)上大量的發(fā)送小包（比如40個(gè)字節(jié)的IP+TCP頭部+1個(gè)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(duì)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(gè)TCP報(bào)文所攜帶的用戶數(shù)據(jù)變長(zhǎng)，比如，將多個(gè)用戶數(shù)據(jù)報(bào)文組合成一個(gè)TCP報(bào)文后再發(fā)送。
• 減少ACK的數(shù)量：
  如果給每一個(gè)TCP發(fā)送請(qǐng)求都回復(fù)一個(gè)ACK，而TCP的每個(gè)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(bào)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(gè)方面。

解決方案：Nagle算法和delayed ack（延時(shí)發(fā)送和延時(shí)應(yīng)答與稍帶應(yīng)答選項(xiàng)）

• Nagle算法-延時(shí)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(shí)刻，最多只能有一個(gè)未收對(duì)確認(rèn)報(bào)文（發(fā)送端沒有收到接收端發(fā)回的確認(rèn)本報(bào)文的ACK消息）的小于MSS尺寸的報(bào)文。
  具體如以下規(guī)則，以保證發(fā)送方不會(huì)過于頻繁的發(fā)送小報(bào)文：
  （1）如果等待發(fā)送的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度達(dá)到MSS，則允許發(fā)送；
  （2）設(shè)置了TCP_NODELAY選項(xiàng)（關(guān)閉Nagle算法），則允許發(fā)送；
  （3）如果所有的小于MSS的報(bào)文都已經(jīng)被確認(rèn)，則允許發(fā)送；
  （4）如果發(fā)生了超時(shí)（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(dá)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(shí)應(yīng)答與稍帶應(yīng)答
  我們知道TCP是雙向通信的。所以延時(shí)應(yīng)答和稍帶應(yīng)答的邏輯很簡(jiǎn)單，收到TCP報(bào)文后，并不立刻發(fā)回應(yīng)答，而是等待一段時(shí)間，等某些條件滿足后再發(fā)回應(yīng)答。
  這樣個(gè)延時(shí)提供了三個(gè)可能性：
  （1）多個(gè)數(shù)據(jù)一起收全后合并多個(gè)應(yīng)答成一個(gè)應(yīng)答，從而減少了應(yīng)答數(shù)量
  （2）延時(shí)這段時(shí)間里應(yīng)用層收走了更多的TCP報(bào)文，可以給發(fā)送發(fā)通告一個(gè)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(gè)報(bào)文里發(fā)送，從而減少了報(bào)文數(shù)量

具體規(guī)則如下：
（1）每到達(dá)200ms ---------發(fā)送應(yīng)答
（2）每?jī)蓚€(gè)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(dá)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(shí)啟動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致的問題

這在某些應(yīng)用場(chǎng)景下會(huì)導(dǎo)致一個(gè)典型的“發(fā)-發(fā)-收”的場(chǎng)景問題，即：接收方要在收到二個(gè)TCP小報(bào)文，并在應(yīng)用層將二個(gè)報(bào)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(chǎng)景。

如下圖所示：
1）發(fā)送方發(fā)送第一個(gè)小報(bào)文給接收方
2）接收方應(yīng)用層收到第一個(gè)報(bào)文，并等待第二個(gè)小報(bào)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(gè)小報(bào)文的TCP應(yīng)答，則不發(fā)送第二個(gè)小報(bào)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(shí)器超時(shí)，發(fā)送回TCP應(yīng)答ACK
6）發(fā)送方發(fā)送第二個(gè)小報(bào)文給接收方
7）接收方應(yīng)用層收到第一和第二兩個(gè)小報(bào)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(gè)不開啟，或者二個(gè)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。