TCP协议缺陷不完全记录

发表于:2015-7-21 10:47

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 作者:聂永    来源:51Testing软件测试网采编

  (一)、前言
  TCP自从1974年被发明出来之后,历经30多年发展,目前成为最重要的互联网基础协议。有线网络环境下,TCP表现的如虎添翼,但在移动互联网和物联网环境下,稍微表现得略有不足。
  移动互联网突出特性不稳定:信号不稳定,网络连接不稳定。虽然目前发展到4G,手机网络带宽有所增强,但因其流动特性,信号也不是那么稳定:坐长途公交车,或搭乘城铁时,或周边上网密集时等环境,现实环境很复杂。
  以下讨论基于Linux服务器环境,假定环境为移动互联网环境。记录我目前所知TCP的一些不足,有所偏差,请给与指正。
  (二)、三次握手
  在确定传递数据之前需要三次握手,显然有些多余,业界提出了TCP Fast Open (TFO)扩展机制,两次握手之后就可以发送正常业务数据了。但这需要客户端和服务器端内核层面都支持才行: Linux内核3.6客户端,3.7支持服务器端。
  进阶阅读:TCP Fast Open: expediting web services
  (三)、慢启动
  一次的HTTP请求,应用层发送较大HTML页面的数据,需要经过若干个往返循环时间(Round-Trip Time)之后,拥塞窗口才能够扩展到最大适合数值,中间过程颇为冗余。这个参数直接关系着系统吞吐量,吞吐量大了,系统延迟小了。但设置成多大,需要根据业务进行抉择。
  3.0内核之前初始化拥塞窗口(initcwnd)大小为3。一个已建立连接初始传输数据时可传递3个MSS,若1个MSS为1400那么一次性可传递4K的数据,若为10,一次性可传递13K的数据。
  谷歌经过调研,建议移动互联网WEB环境下建议initcwnd设置成10,linux内核3.0版本之后默认值为10。遇到较低内核,需要手动进行设置。
  若是局域网环境有类似大数据或文件的传输需求,可以考虑适当放宽一些。
  若长连接建立之后传输的都是小消息,每次传输二进制不到4K,那么慢启动改动与否都是无关紧要的事情了。
  进阶阅读:
  Tuning initcwnd for optimum performance
  Optimizing Your Linux Stack for Maximum Mobile Web Performance
  An Argument for Increasing TCP's Initial Congestion Window
  (四)、线头阻塞(Head-of-line blocking, HOL)
  TCP协议数据传输需要按序传输,可以理解为FIFO先进先出队列,当前面数据传输丢失后,后续数据单元只能等待,除非已经丢失的数据被重传并确认接收以后,后续数据包才会被交付给客户端设备,这就是所谓的线头(HOL,head-of-line blocking)阻塞。比较浪费服务器带宽又降低了系统性能,不高效。
  1. 多路复用不理想
  HTTP/2提出的业务层面多路复用,虽然在一定程度上解决了HTTP/1.*单路传输问题,但依然受制于所依赖的TCP本身线头阻塞的缺陷。构建于TCP上层协议的多路复用,一旦发生出现线头阻塞,需要小心对待多路的业务数据发送失败问题。
  2. TCP Keepalive机制失效
  理论上TCP的Keepalive保活扩展机制,在出现线头阻塞的时候,发送不出去被一直阻塞,完全失效。
  类似于NFS文件系统,一般采用双向的TCP Keepalive保活机制,用以规避某一端因线头阻塞出现导致Keepalive无效的问题,及时感知一端存活情况。
  3. 线头阻塞超时提示
  数据包发送了,启动接收确认定时器,超时后会重发,重发依然无确认,后续数据会一直堆积到待发送队列中,这里会有一个阻塞超时,算法很复杂。上层应用会接收到来自内核协议栈的汇报"No route to host"的错误信息,默认不大于16分钟时间。在服务器端(没有业务心跳支持的情况下)发送数据前把终端强制断线,顺便结合TCPDUMP截包,等15分钟左右内核警告"EHOSTUNREACH"错误,应用层面就可以看到"No route to host"的通知。
  (五)、四次摆手
  两端连接成功建立之后,需要关闭时,需要产生四次交互,这在移动互联网环境下,显得有些多余。快速关闭,快速响应,冗余交互导致网络带宽被占用。
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