【计算机网络】TCP通信的细节及TCP连接对HTTP事务处理性能影响

从三次握手的细节说起

刚开始尝试使用java等后端语言写IO流,或用套接字(socket)实现简单C/S通信的同学们,常常会接触到的一个概念:就是所谓的“三次握手”,socket作为一个API接口,封装了TCP/IP通信的细节,使我们只需要调用简单的接口而无需关心具体的实现,那么

Socket三次握手的细节是如何实现的?

三次握手的过程实际上就是相互抛/接(3次)包的过程

三次握手的过程:

  1. 客户端抛 --> SYN包(建立连接包) --> 服务器接收
  2. 服务器抛 --> ACK包(确认应答包)和SYN包 --> 客户端接收
  3. 客户端抛 --> ACK包(确认应答包) --> 服务器接收

建立连接后客户端便可从服务器接收数据包进行通信

注意:三次握手时抛/接的包和连接建立后收发的数据包是不同的!前者是只携带有TCP报文和IP报文头部的包,不携带具体的数据内容,而后者除了TCP和IP报文头部还携带了具体的数据

建立连接后的通信过程:

l  发送端  -->   数据包  -->  接收端

l  接收端  -->  ACK确认应答  --> 发送端

TCP是全双工通信:

这里的发送端/接收端可以是客户端/服务器,也可以是服务器/客户端,因为TCP通信是全双工通信,所以建立连接后可以同时进行以下两个过程:

A.   客户端 --> 数据包 --> 服务器 --> ACK应答 --> 客户端

B.   服务器 --> 数据包 --> 客户端 --> ACK应答 --> 服务器

ACK包/FIN包/SYN包的具体组成:

如下图三次握手时交换包的具体组成:TCP首部+IP首部(无具体数据内容!)

建立连接后收发数据包的具体组成:

(TCP首部+IP首部+具体数据)

TCP通信的单位——段

TCP通信以段为单位,段由TCP数据和TCP首部组成

如果再将网络层的IP协议考虑进去的话,TCP/IP通信以IP分组为单位

IP分组=TCP段+IP首部=(TCP数据+TCP首部)+IP首部

注:TCP首部也算是IP数据包的一部分

TCP的"串行式"连接和"管道式"连接

A.TCP“串行式”连接

建立连接后,最简单的TCP通行是串行进行的,单次通信发送端只能发送一个段。只有在接收到接收端发来的ACK应答包前,才能将第二个段发出去,这段时间内发送端只能空等待

B.TCP“管道式”连接

很显然,串行通信效率很低,所以我们想,能不能在第一个段发送出去后,无需等待ACK应答的返回就发送第二个段呢?这样效率不就提高了吗?基于这个理念人们提出了窗口的概念:

窗口:无需等待ACK应答的返回就可以连续发送的段的数量的最大值

上图中,窗口大小为4,段的发送就好像管道一般,窗口大小就好比是“管道”的流量

TCP连接对HTTP事务处理性能的影响

HTTP作为一种应用层协议,其事务处理要依赖于传输层的TCP协议机制的运作,所以HTTP事务处理的性能瓶颈很大程度上来源于TCP连接,体现在下面几点:

  • TCP连接时间的消耗
  • TCP的慢启动机制
  • TCP采用的Nagle算法

每次TCP连接带来的时延是HTTP时延的重要来源

解决方法:采用HTTP持久连接技术消除多次连接的时延

 TCP的慢启动机制

TCP慢启动机制体现在两方面:

a.限制初次启动时发送的段的数量:

上面提到了TCP窗口的概念,但TCP能不能一开始就发送窗口上限的段呢?答案是不能的,因为这会造成网络拥塞,为了避免这个问题,TCP采用了慢启动机制,一开始发送的段数为1,抛接完成后将段数上升为2,然后是4,再然后是8,段数将以指数形式递增,直到窗口大小的上限

b.设置慢启动阀值

由上图可以看到,当达到拥堵窗口的大小时,将导致超时重发,这时初次发送的段数又从1开始指数递增,不同的地方是:这时候设置了慢启动阀值(拥堵窗口的一半),发送的段数达到慢启动阀值时,将不再以指数形式上升,而是按一定的比例缓慢得直线上升

解决方法:正是因为单次TCP连接的时延和TCP的慢启动机制,HTTP的持久连接才显得尤为重要

Nagle算法

TCP协议本身并没有有规定发送单个段的数据包大小的最小值,那让我们想想,如果我们试图在单个段中发送几个字节的数据包会怎样呢?如果这样,TCP将通过Nagle算法的机制来提高网络利用率,很显然,将包含数据量极小的段都单独发出去将会极大降低网络利用率,所以通过Nagle算法,不直接派发小数据量的段,而是选择将它们绑定在一起,当达到要求尺寸后才派发出去,这造成了时间上的延迟。Nagle算法是一把双刃剑,它提高了网络利用率,但同时造成了TCP的时延

解决方法:Nagle是可以选择关闭的,当然,前提是你得在TCP通信中写入大块的数据

参考资料:

《HTTP权威指南》作者古尔利

《图解TCP/IP》作者竹下隆史

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