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浅谈TCP优化|乌鲁木齐电脑维修|乌鲁木齐电脑维护
2014-05-12 01:52:54   来源:   评论:0 点击:

乌鲁木齐电脑维护|很多人常常对TCP优化有一种雾里看花的感觉,实际上只要理解了TCP的运行方式就能掀开它的神秘面纱。Ilya Grigorik 在「High Performance Browser Networking」中做了很多细致的描述,让人读...

乌鲁木齐电脑维护|
很多人常常对TCP优化有一种雾里看花的感觉,实际上只要理解了TCP的运行方式就能掀开它的神秘面纱。Ilya Grigorik 在「High Performance Browser Networking」中做了很多细致的描述,让人读起来醍醐灌顶,我大概总结了一下,以期更加通俗易懂。

流量控制
   传输数据的时候,如果发送方传输的数据量超过了接收方的处理能力,那么接收方会出现丢包。为了避免出现此类问题,流量控制要求数据传输双方在每次交互时声明各自的接收窗口「rwnd」大小,用来表示自己最大能保存多少数据,这主要是针对接收方而言的,通俗点儿说就是让发送方知道接收方能吃几碗饭,如果窗口衰减到零,那么就说明吃饱了,必须消化消化,如果硬撑的话说不定会大小便失禁,那就是丢包了。


Flow Control
   接收方和发送方的称呼是相对的,如果站在用户的角度看:当浏览网页时,数据以下行为主,此时客户端是接收方,服务端是发送方;当上传文件时,数据以上行为主,此时客户端是发送方,服务端是接收方。

慢启动
   虽然流量控制可以避免发送方过载接收方,但是却无法避免过载网络,这是因为接收窗口「rwnd」只反映了服务器个体的情况,却无法反映网络整体的情况。

   为了避免过载网络的问题,慢启动引入了拥塞窗口「cwnd」的概念,用来表示发送方在得到接收方确认前,最大允许传输的未经确认的数据。「cwnd」同「rwnd」相比不同的是:它只是发送方的一个内部参数,无需通知给接收方,其初始值往往比较小,然后随着数据包被确认,窗口成倍扩大,这有点类似于拳击比赛,开始时不了解敌情,往往是次拳试探,慢慢心里有底了,开始逐渐加大重拳进攻的力度。


Slow Start
   在慢启动的过程中,随着「cwnd」的增加,可能会出现网络过载,其外在表现就是丢包,一旦出现此类问题,「cwnd」的大小会迅速衰减,以便网络能够缓过来。


Congestion Avoidance
   说明:网络中实际传输的未经确认的数据大小取决于「rwnd」和「cwnd」中的小值。

拥塞避免
   从慢启动的介绍中,我们能看到,发送方通过对「cwnd」大小的控制,能够避免网络过载,在此过程中,丢包与其说是一个网络问题,倒不如说是一种反馈机制,通过它我们可以感知到发生了网络拥塞,进而调整数据传输策略,实际上,这里还有一个拥塞阈值「ssthresh」的概念,如果「cwnd」小于「ssthresh」,那么表示在慢启动阶段;如果「cwnd」大于「ssthresh」,那么表示在拥塞避免阶段,此时「cwnd」不再像慢启动阶段那样呈指数级整整,而是趋向于线性增长,以期避免网络拥塞,此阶段有多种算法实现,通常保持缺省即可,这里就不一一说明了,有兴趣的读者可以自行查阅。

   …

如何调整「rwnd」到一个合理值
   有很多人都遇到过网络传输速度过慢的问题,比如说明明是百兆网络,其最大传输数据的理论值怎么着也得有个十兆,但是实际情况却相距甚远,可能只有一兆。此类问题如果剔除奸商因素,多半是由于接收窗口「rwnd」设置不合理造成的。

   实际上接收窗口「rwnd」的合理值取决于BDP的大小,也就是带宽和延迟的乘积。假设带宽是 10Mbps,延迟是 100ms,那么计算过程如下:

BDP = 100Mbps * 100ms = (100 / 8) * (100 / 1000) = 1.25MB   此问题下如果想最大限度提升吞度量,接收窗口「rwnd」的大小不应小于 1.25MB。说点引申的内容:TCP使用16位来记录窗口大小,也就是说最大值是64KB,如果超过它,就需要使用tcp_window_scaling机制。参考:TCP Windows and Window Scaling。

   Linux中通过配置内核参数里接收缓冲的大小,进而可以控制接收窗口的大小:

shell> sysctl -a | grep mem
net.ipv4.tcp_rmem = <MIN> <DEFAULT> <MAX>   如果我们出于性能的考虑,设置了一个足够大的缓冲,那么当大量请求同时到达时,内存会不会爆掉?通常不会,因为Linux本身有一个缓冲大小自动调优的机制,窗口的实际大小会自动在最小值和最大值之间浮动,以期找到性能和资源的平衡点。

   通过如下方式可以确认缓冲大小自动调优机制的状态(0:关闭、1:开启):

shell> sysctl -a | grep tcp_moderate_rcvbuf   如果缓冲大小自动调优机制是关闭状态,那么就把缓冲的缺省值设置为BDP;如果缓冲大小自动调优机制是开启状态,那么就把缓冲的最大值设置为BDP。

   实际上这里还有一个细节问题是:缓冲里除了保存着传输的数据本身,还要预留一部分空间用来保存TCP连接本身相关的信息,换句话说,并不是所有空间都会被用来保存数据,相应额外开销的具体计算方法如下:

   Buffer / 2^tcp_adv_win_scale

   依照Linux内核版本的不同,net.ipv4.tcp_adv_win_scale 的值可能是 1 或者 2,如果为 1 的话,则表示二分之一的缓冲被用来做额外开销,如果为 2 的话,则表示四分之一的缓冲被用来做额外开销。按照这个逻辑,缓冲最终的合理值的具体计算方法如下:

   BDP / (1 - 1 / 2^tcp_adv_win_scale)

   此外,提醒一下延迟的测试方法,BDP中的延迟指的就是RTT,通常使用ping命令很容易就能得到它,但是如果 ICMP 被屏蔽,ping也就没用了,此时可以试试 synack。

如何调整「cwnd」到一个合理值
   一般来说「cwnd」的初始值取决于MSS的大小,计算方法如下:

   min(4 * MSS, max(2 * MSS, 4380))

   以太网标准的MSS大小通常是1460,所以「cwnd」的初始值是3MSS。

   当我们浏览视频或者下载软件的时候,「cwnd」初始值的影响并不明显,这是因为传输的数据量比较大,时间比较长,相比之下,即便慢启动阶段「cwnd」初始值比较小,也会在相对很短的时间内加速到满窗口,基本上可以忽略不计。

   不过当我们浏览网页的时候,情况就不一样了,这是因为传输的数据量比较小,时间比较短,相比之下,如果慢启动阶段「cwnd」初始值比较小,那么很可能还没来得及加速到满窗口,通讯就结束了。这就好比博尔特参加百米比赛,如果起跑慢的话,即便他的加速很快,也可能拿不到好成绩,因为还没等他完全跑起来,终点线已经到了。

   举例:假设网页20KB,MSS大小1460B,如此说来整个网页就是15MSS。

   先让我们看一下「cwnd」初始值比较小(等于4MSS)的时候会发生什么:


Small Window
   再看一下「cwnd」初始值比较大(大于15MSS)的时候又会如何:


Big Window
   明显可见,除去TCP握手和服务端处理,原本需要三次RTT才能完成的数据传输,当我们加大「cwnd」初始值之后,仅用了一次RTT就完成了,效率提升非常大。

   既然加大「cwnd」初始值这么好,那么到底应该设置多大为好呢?Google在这方面做了大量的研究,权衡了效率和稳定性之后,最终给出的建议是10MSS。如果你的Linux版本不太旧的话,那么可以通过如下方法来调整「cwnd」初始值:

shell> ip route | while read p; do
           ip route change $p initcwnd 10;
       done   有时候我们可能想检查一下目标服务器的「cwnd」初始值设置,此时可以数包:


Test Initcwnd
   通过握手阶段确认RTT为168,开始传输后得到第一个数据包的时间是409,加上RTT后就是577,从409到577之间有两个数据包,所以「cwnd」初始值是2MSS。更详细的描述信息请参考:Tuning initcwnd for optimum performance。

   需要额外说明的是,单纯数包可能并不准确,因为网卡可能会对包做点手脚,具体说明信息请参考:Segmentation and Checksum Offloading: Turning Off with ethtool。

   补充:有人写了一个名叫 initcwnd_check 的脚本,可以帮你检查「cwnd」初始值。

   …

   实践是检验真理的唯一标准,希望大家多动手,通过实验来检验结果,推荐一篇不错的文章:Impact of Bandwidth Delay Product on TCP Throughput,此外知乎上的讨论也值得一看:为什么多 TCP 连接分块下载比单连接下载快,大家有货的话也请告诉我。

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