客户端基础知识——TCP基本机制（三次握手+拥塞控制+队头阻塞）

zhangjiezhi_
807 阅读4分钟

1. 三次握手

  • Client -> Server: SYN x = rand()
  • Client <- Server: ACK x+1, y = rand()
  • Client -> Server: ACK x+1, y+1

注意：只有在一次完整的 roundtrip 之后 Client 才能开始发送数据；Server 则需要收到 ACK x+1, y+1 消息到达后才能开始发送数据。

** TCP Fast Open **

  • 打开此配置时，可以第一条 SYN 消息里带上数据，不用等一次完整的 roundtrip
  • 限制：
    • SYN 消息中可带的数据大小有限制
    • 只有特定的几种 HTTP 请求可使用此方式发送
    • 只能用于重复连接之前曾经连过的 Server 的情况下
  • 配置：
    • Server: Linux kernel v4.1+
    • Client: iOS 9+/OSX 10.11+ 或他相应的 Linux 版本
    • 应用程序打开相关的 socket flag
  • 性能提升:
    • HTTP网络延迟降低 15%
    • 页面加载时间平均降低 10%
    • 某些高延迟情况下有 40% 的降低

2. 拥塞控制

1) 限流（Flow control）

  • 目的：防止一端发送过多数据使另一端来不及处理
  • 机制:
    • 客户端、服务端分别告知对方已方接收窗口的大小（rwnd）
    • 连接刚建立时，两端的 rwnd 都使用系统默认值
    • 每个 ACK 消息都会带上当前最新的 rwnd，使对方可以动态调整发送的数据流量

Window Scaling (RFC 1323)

  • 目的：TCP协议只为rwnd预留了16位，使rwnd最大为2^16=65536字节，要想设置超过此值的的窗口大小，需要 Window Scaling
  • 实现：在三次握手过程中确定一个左移位数（shift），rwnd 的实际大小为ACK消息中带的16位的值左移 shift 以后得到的值
    • 支持 Window Scaling 以后，rwnd 最大支持1G字节
  • 主流系统上已默认开启
    • 通信信道上的中间结点、路由器、防火墙等可能会禁用此选项
$> sysctl net.ipv4.tcp_window_scaling
$> sysctl -w net.ipv4.tcp_window_scaling=1

2) 拥塞控制（Congestion control）

  • 目的：防止发送太多数据导致网络来不及处理导致网络拥塞

  • 机制：

    • 慢启动（Slow-Start）

      • 发送方为每个 tcp 连接维护一个拥塞窗口大小（cwnd），其默认的初始值比较小。

        • cwnd 不需要通知对端
        • 为提高传输效率，可将 cwnd 默认初始值提高到10个 network segments

      • 引入规则：传输中未被 ACK 的数据量限额为 MIN(cwnd, rwnd)

      • 开始时 cwnd 较小，随后每收到一个 ACK，cwnd += 1，这样下次就可以发送之前两倍的数据量

      Slow-Start Restart

      • 连接空闲一段时间后会将 cwnd 重设为默认值
      • 为防止此机制影响连接的传输性能，可采用下列命令关闭此机制：
       $> sysctl net.ipv4.tcp_slow_start_after_idle
 $> sysctl -w net.ipv4.tcp_slow_start_after_idle=0
    • 拥塞避免（Congestion avoidance）

      • 网络条件好的情况下，cwnd会一直倍增，直到其超出接收方系统配置的拥塞阈值窗口大小（ssthres），或出现丢包。此时会触发拥塞避免机制来调整拥塞窗口（cwnd）大小

      • 常见算法：

        • TCP Tahoe and Reno

        • TCP Vegas

        • TCP New Reno

        • TCP BIC

        • TCP CUBIC （Linux上默认）

        • Compound TCP （Windows上默认）

      Proportional Rate Reduction for TCP（RFC 6937）

      • 目的：加快丢包后的恢复速度
      • 性能：在有丢包的连接上平均延时降低3-10%
      • Linux 3.2+ 内核上默认使用此拥塞避免算法

3. 队头阻塞

TCP协议下每个数据包都有唯一的序号，协议能够保证这些包的可靠、按顺序传输。但如果多个包中某个序号比较靠前的在传输过程中发生了丢包，其它序号靠后的包即使已顺利到达，也需要在接收方的缓冲区中等待，直到队头包重传成功才能将报文组装并返回给应用层。

  • 队头阻塞发生在TCP协议层，应用层无法感知，应用层只能感知到总体的传输延迟
  • 队头阻塞的负面影响在音、视频应用这种不要求所有包都到达即可正常运行的场景下尤其明显。

4. 四次挥手

  • Client -> Server: SEQ=x, FIN=1 //Client=FIN_WAIT1
  • Client <- Server: SEQ=y, ACK=x+1 //Client=FIN_WAIT2， Server=CLOSE_WAIT
  • Client <- Server: 可能有 Server 还未发完的数据传送继续进行
  • ...
  • Client <- Server: SEQ=z, ACK=x+1, FIN=1 //Server=LAST_ACK
  • Client -> Server: SEQ=x+1, ACK=z+1 //Client=TIME_WAIT（2MSL后自动进入CLOSED状态）

参考资料

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