TCP协议疑难问题集锦3

13-08-10 来源：[db:作者]

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TCP协议疑难问题集锦3

疑难杂症10：流量控制的真实意义

很多人以为流量控制会很有效的协调两端的流量匹配，确实是这样，但是如果你考虑到网络的利用率问题，TCP的流量控制机制就不那么完美了，造成这种局面的原因在于，滑动窗口只是限制了最大发送的数据，却没有限制最小发送的数据，结果导致一些很小的数据被封装成TCP分段，报文协议头所占的比例过于大，造成网络利用率下降，这就引出了接下来的内容，那就是端到端意义的TCP协议效率。

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承上启下

终于到了阐述问题的时候了，以上的TCP协议实现的非常简单，这也是TCP的标准实现，然而很快我们就会发现各种各样的问题。这些问题导致了标准化协会对TCP协议进行了大量的修补，这些修补杂糅在一起让人们有些云里雾里，不知所措。本文档就旨在分离这些杂乱的情况，实际上，根据RFC，这些杂乱的情况都是可以找到其单独的发展轨迹的。

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4.端到端意义上的TCP协议效率

4.1.三个问题以及解决

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

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，这样它们就可以取最大者一起返回了，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。

4.2.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。

4.3.问题的杂糅情况

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