linux的tcp延迟确认导致拥塞,TCP之Nagle、Cork、DelayACK（延迟确认）

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参考资料

1. Nagle 算法

1.1. 原理

Nagle算法为了避免网络中存在太多的小数据包&＃xff0c;尽可能发送大的数据包。定义为在任意时刻&＃xff0c;最多只有一个未被确认的小段。小段为小于MSS尺寸的数据块&＃xff0c;未被确认是指数据发出去后未收到对端的ack。

Nagle算法是在网速较慢的时代的产物&＃xff0c;目前的网络环境已经不太需要该机制&＃xff0c;该算法在linux系统中默认关闭。

1)如果包长度达到MSS&＃xff0c;则允许发送&＃xff1b;

2)如果该包含有FIN&＃xff0c;则允许发送&＃xff1b;

3)设置了TCP_NODELAY选项&＃xff0c;则允许发送&＃xff1b;

4)未设置TCP_CORK选项时&＃xff0c;若所有发出去的包均被确认&＃xff0c;或所有发出去的小数据包(包长度小于MSS)均被确认&＃xff0c;则允许发送。

对于规则4)&＃xff0c;就是说要求一个TCP连接上最多只能有一个未被确认的小数据包&＃xff0c;在该分组的确认到达之前&＃xff0c;不能发送其他的小数据包。如果某个小分组的确认被延迟了(案例中的40ms)&＃xff0c;那么后续小分组的发送就会相应的延迟。也就是说延迟确认影响的并不是被延迟确认的那个数据包&＃xff0c;而是后续的应答包。

tcp默认使用nagle算法&＃xff0c;最大限度的进行缓存。

Nagle 算法示意图

1.2. 优劣

优点&＃xff1a;避免网络中充斥着许多小数据块&＃xff0c;降低网络负载&＃xff0c;减少网络拥塞&＃xff0c;提高网络吞吐

缺点&＃xff1a;客户端的延迟会增加&＃xff0c;实时性降低&＃xff0c;不适合延时要求尽量小的场景&＃xff1b;且对于大文件传输这种场景&＃xff0c;会降低传输速度。

大文件传输的情况下&＃xff0c;因为文件数据移入输出缓存耗时很小&＃xff0c;所以不用nagle算法也会在装满缓存时才会发送数据&＃xff0c;因此不仅不会增加数据包的网络流量&＃xff0c;反而无需等待ACK就可以传输&＃xff0c;因此这种情况不使用nagle可以大幅提高速度。

2.3. 配置

用TCP_NODELAY选项可以禁止Negale 算法。此时&＃xff0c;应用程序向内核递交的每个数据包都会立即发送出去。需要注意的是&＃xff0c;虽然禁止了Negale 算法&＃xff0c;但网络的传输仍然受到TCP确认延迟机制的影响。

2. 延迟 ACK

2.1. 原理

TCP在接收到对端的报文后&＃xff0c;并不会立即发送ack&＃xff0c;而是等待一段时间发送ack&＃xff0c;以便将ack和要发送的数据一块发送。当然ack不能无限延长&＃xff0c;否则对端会认为包超时而造成报文重传。linux采用动态调节算法来确定延时的时间。

TCP在何时发送ACK的时候有如下规定&＃xff1a;

当有响应数据发送的时候&＃xff0c;ACK会随着数据一块发送

如果没有响应数据&＃xff0c;ACK就会有一个延迟&＃xff0c;以等待是否有响应数据一块发送&＃xff0c;但是这个延迟一般在40ms~500ms之间&＃xff0c;一般情况下在40ms左右&＃xff0c;如果在40ms内有数据发送&＃xff0c;那么ACK会随着数据一块发送&＃xff0c;对于这个延迟的需要注意一下&＃xff0c;这个延迟并不是指的是收到数据到发送ACK的时间延迟&＃xff0c;而是内核会启动一个定时器&＃xff0c;每隔200ms就会检查一次&＃xff0c;比如定时器在0ms启动&＃xff0c;200ms到期&＃xff0c;180ms的时候data来到&＃xff0c;那么200ms的时候没有响应数据&＃xff0c;ACK仍然会被发送&＃xff0c;这个时候延迟了20ms.

如果在等待发送ACK期间&＃xff0c;第二个数据又到了&＃xff0c;这时候就要立即发送ACK&＃xff01;

2.2. 优劣

优点&＃xff1a;减少了数据段的个数&＃xff0c;提高了发送效率

缺点&＃xff1a;过多的delay会拉长RTT(往返时延)

2.3. 配置

可以通过TCP_QUICKACK这个选项来启动快速ACK&＃xff1a;

如果在快速的ACK模式下&＃xff0c;ACK被立即发送

这个flag并不是永久的&＃xff0c;系统会判定是交互数据流&＃xff0c;仍然会启动delay ACK&＃xff0c;所以这个flag在recv之后需要重新设置

3. Cork 算法

3.1. 原理

所谓的CORK就是塞子的意思,形象地理解就是用CORK将连接塞住,使得数据先不发出去,等到拔去塞子后再发出去。Cork算法与Nagle算法类似&＃xff0c;也有人把Cork算法称呼为super-Nagle。Nagle算法提出的背景是网络因为大量小包小包而导致利用率低下产生网络拥塞&＃xff0c;网络发生拥塞的时候性能还会进一步下降&＃xff0c;因此Nagle算法通过ACK确认包来触发新数据包的发送(ACK确认包意味着对端已经接收到了一个数据包&＃xff0c;即有一个数据包已经离开中间网络&＃xff0c;此时可以在向中间网络注入一个数据包块&＃xff0c;这称呼为self-clocking)。Cork算法则更为激进&＃xff0c;一旦打开Cork算法&＃xff0c;TCP不关注是否有收到ACK报文&＃xff0c;只要当前缓存中累积的数据量不足以组成一个full-sized数据包就不会将数据包发出&＃xff0c;直到一个RTO超时后才会把不满足一个full-sized的数据包发出去(实际上是通过一个persist timer来设置的这个RTO定时时间&＃xff0c;persist timer超时的时候就会强制发送)。

linux中可以通过TCP_CORK选项来设置socket打开Cork算法。TCP_NODELAY选项和TCP_CORK选项在linux早期版本是互斥的&＃xff0c;但目前最新的linux版本已经可以同时打开这两个选项了&＃xff0c;但是TCP_CORK选项的优先级要比TCP_NODELAY选项的优先级要高。

Nagle算法和CORK算法非常类似,但是它们的着眼点不一样,Nagle算法主要避免网络因为太多的小包(协议头的比例非常之大)而拥塞,而CORK算法则是为了提高网络的利用率,使得总体上协议头占用的比例尽可能的小.如此看来这二者在避免发送小包上是一致的,在用户控制的层面上,Nagle算法完全不受用户socket的控制,你只能简单的设置TCP_NODELAY而禁用它,CORK算法同样也是通过设置或者清除TCP_CORK使能或者禁用之,然而Nagle算法关心的是网络拥塞问题,只要所有的ACK回来则发包,而CORK算法却只关心内容,在前后数据包发送间隔很短的前提下(很重要,否则内核会帮你将分散的包发出),即使你是分散发送多个小数据包,你也可以通过使能CORK算法将这些内容拼接在一个包内,如果此时用Nagle算法的话,则可能做不到这一点.

3.2. 优劣

优点&＃xff1a;提高网络的利用率

缺点&＃xff1a;对实时性有影响

3.3. 配置

使用TCP_CORK参数进行配置