TCP Nagle算法以及延迟确认(即延迟回复ACK)的学习
TCP/IP协议中,无论发送多少数据,总是要在数据前面加上协议头,同时,对方接收到数据,也需要发送ACK表示确认。为了尽可能的利用网络带宽,TCP总是希望尽可能的发送足够大的数据。
(一个连TCP接会设置MSS参数,因此,TCP/IP希望每次都能够以MSS尺寸的数据块来发送数据)。
Nagle算法就是为了尽可能发送大块数据,避免网络中充斥着许多小数据块。(尤其在广域网中)(减少大量小包的发送)
Nagle算法的基本定义是任意时刻,最多只能有一个未被确认的小段。所谓“小段”,指的是小于MSS尺寸的数据块,
所谓“未被确认”,是指一个数据块发送出去后,没有收到对方发送的ACK确认该数据已收到。
Nagle算法的规则(可参考tcp_output.c文件里tcp_nagle_check函数注释):
(1)如果包长度达到MSS,则允许发送;
(2)如果该包含有FIN,则允许发送;
(3)设置了TCP_NODELAY选项,则允许发送;(即关闭了Nagle算法了,可以立刻发)
(4)未设置TCP_CORK选项时,若所有发出去的小数据包(包长度小于MSS)均被确认,则允许发送;
(5)上述条件都未满足,但发生了超时(一般为200ms),则立即发送。
Nagle算法只允许一个未被ACK的包存在于网络,它并不管包的大小,因此它事实上就是一个扩展的停-等协议(停止等待ARQ协议),只不过它是基于包停-等的,而不是基于字节停-等的。Nagle算法完全由TCP协议的ACK机制决定,这会带来一些问题,比如如果对端ACK回复很快的话,Nagle事实上不会拼接太多的数据包,虽然避免了网络拥塞,网络总体的利用率依然很低。 (好好理解这句话 就是如果ack回复的快 Nagle算法并不会来得急拼多大的包 虽然避免了网络拥塞,网络总体的利用率依然很低)
TCP_NODELAY 套接字选项
默认情况下,发送数据采用Negle 算法。这样虽然提高了网络吞吐量,但是实时性却降低了,在一些交互性很强的应用程序来说是不允许的,
使用TCP_NODELAY选项可以禁止Negale 算法。
延迟确认机制(TCP delayed acknowledgment)
全名Delayed Acknowledgment,简称延迟ACK,翻译为延迟确认。
与Nagle算法一样,延迟ACK的目的也是为了减少网络中传输大量的小报文数,但该报文数是针对ACK报文的。
一个来自发送端的报文到达接收端,TCP会延迟ACK的发送,希望应用程序会对刚刚收到的数据进行应答, 这样就可以用新数据将ACK捎带过去。 (就是对请求应答的时候稍带上ack,不单独进行确认 就是这个意思咯)
下面是讨论的重点!!!!!!
当Nagle算法遇到Delayed ACK
在一个有数据传输的TCP连接中,如果只有数据发送方启用Nagle算法,在其连续发送多个小报文时,Nagle算法机制会减少网络中的小报文数量。这就意味着,同样传输相同大小的应用数据,在网络上的报文个数却不同。
举个例子,发送端需要连续发送5个写操作(应用程序将数据写入到缓冲池的动作)的小报文,首先发送第一个,由于Nagle算法的作用,在未收到第一个报文确认前,发送端在等待写操作的同时进行读操作,接收端并未启用延迟确认(视TCP delay ACK时间为0),尽管刚收到该报文就发出确认,但由于网络延时的原因,在收集齐另外4个小报文后,发送方才收到了第一个报文的ACK,则后面的4个报文会一起发送出去(大小未超过MSS),接收端再次ACK。
在上述发送5个小报文的过程中,只用了4个报文就实现了。
但如果发送端未启用Nagle算法,完成整个过程则至少需要8个报文或10个报文才能实现,这里接收端未启用延迟确认,如下图所示。启用Nagle算法和未启用Nagle算法的场景中,从完成数据发送的时间来看,未启用Nagle算法的方式花费的时间会更长一些,(也不一定吧个人觉得 还是要看网络环境 理论上是这样) 如下图所示。这里基本看到了Nagle算法的好处了。
还是上述数据传输场景,发送端未启用Nagle算法,但接收端延迟确认默认时间为200ms,来看看这时的情况。 RFC 1122规定,Delayed ACK对单个的小报文可以延长确认的时间,但不允许有两个连续的小报文不被确认。所以,当发送端连续发送两个报文后,接收端必须给予确认。这时的数据传输情况如下图,只有当第5个报文到达后,接收端由于延迟确认机制,会导致200ms的延时存在。
接下来看看,当Nagle算法遇到Delayed ACK时会是什么情况。按照常理推断,两种深思熟虑的功能设计,应该是1+1>2的效果。具体如何,还是请事实说话。
先继续看上面的假设场景,该场景要求发送端向接收端发送5个连续的写操作数据,但网络延时较大,同时发送端启用Nagle算法,接收端Delayed ACK默认为200ms。
发送方先发出一个小报文,接收端收到后,由于延迟确认的机制,等待发送方的下一个报文到达。而发送方由于Nagle算法机制,在未接收到第一个报文的确认前,不会发送已读取到的报文。 在这种场景下,暂不考虑应用处理时间,完成整个数据传输所需时间为2RTT+400ms,貌似情况不是特别糟糕。
如果上述其他条件不变,发送方应用写操作延时稍微变大,或发送端的应用操作延时稍大,我们再看看,完成这个操作的延时情况。
发送方先发出一个小报文,接收端收到后,由于延迟确认的机制,等待发送方的下一个报文到达。由于发送方应用数据写操作延时较大,在经过RTT+200ms后,读取到了下一个需要发送的内容,此时接收到了第一个报文的确认,而网络中未有没被确认的报文,发送方需要再将第二个小报文发送出去,以此类推,直到最后一个小报文被发送,且接收到该报文的确认,此时整个数据传输过程完成。
在这种情景下,完成整个数据传输所需时间则为5RTT+5*200ms,明显增大了不少。如果相同情境下,有成千上万的小报文发送,则整体使用时间相当可观了。
在实际情况下,如果发送方程序做了一系列的写、写、读操作的现象,这样的操作都会触发Nagle和延迟ACK算法之间的交互作用,应该尽量避免
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