Nagle 算法与滑动窗口协议

1. 概述

此前的文章中，我们介绍了 tcp 协议的基本概念和连接的建立与终止 最后，我们介绍了“经受时延的确认”，这是一种将 ACK 包与下一条数据包合并发送的策略，这样可以尽量减少发往网络的报文，以提高传输的效率，节省网络资源。 除此之外，TCP 还有很多其他算法和策略用来优化网络的使用。

2. Nagle 算法

2.1. 概述

Nagle 算法是一种减少 TCP/IP 网络拥塞控制的算法，主要用来解决小包问题。 即使只发送一个字符，传输上也需要 41 字节的包，造成了 4000%，大量小包会导致网络过载，大量小包在负载重的环境下会导致包丢失，妨碍传输速度，导致吞吐量下降。 Nagle 算法在确认数据发送时把数据放入缓存中，直到上一条数据被确认才会发送新的数据。 Nagle 算法保证一个 TCP 连接上最多只有一个未被确认的未完成小分组，在该分组被确认前不能发送其他小分组。

2.2. 算法规则

1. 如果包长度达到 MSS（最长报文大小），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； 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

3. 滑动窗口协议

3.1. 基本介绍

滑动窗口协议是一种常用的 TCP 流量控制方法，他允许发送方在停止并等待确认前可以连续发送多个分组。 由于发送方不再需要在每个分组发送后都停下来等待 ACK，而是通过发送多个分组后再进行等待统一的 ACK，这样加速了数据的传输。 在滑动窗口协议中，一个 ACK 可以确认若干个分组，ACK 包的确认分组号参数表示到该分组号-1 为止的所有分组都确认收到。

3.2. 窗口大小通告

在 TCP 报文中，我们看到有一个窗口大小选项： 传输控制协议 — TCP 它用来通知对方下一次确认前最多能够接收的字节数，如果通告窗口大小为 0 （零窗口）或小于下一次发送报文的字节数，则发送方必须停止发送，等待确认。 在下一次确认前，接收方也可以发送通过“窗口更新”报文来更新窗口的大小，以使发送方可以在接收到下一次 ACK 前可以再次发送报文。

下图展示了 TCP 滑动窗口协议：

每当报文被确认，窗口都会向右移动，因此而被形象的称为“滑动窗口”。 有三个术语被用来描述窗口的变化：

• 合拢 — 当数据被发送和确认时，窗口左边沿向右移动
• 张开 — 当接收端发送“窗口更新”报文增加窗口大小时，窗口右边沿向右移动增加窗口大小
• 收缩 — 这是被强烈建议不要使用的方式，右边沿向左移动减小窗口大小

4. linux TCP 参数调优

对于 FTP 等成块数据流发送的 TCP 应用程序来说，窗口大小的变动对程序性能的影响非常明显，当然，如果缓冲区设置太大则会造成内存资源不必要的浪费，恰到好处的大小是刚好可以利用带宽。 “时延带宽积”（Bandwidth Delay Product）表示链接带宽（报文在网络上传输的速率）和往返时间（RTT）的积： BDP = link_bandwidth RTT。 也就是说，如果一个应用程序是通过 100Mbps 的局域网进行通信，其 RTT 为 50ms，那么： BDP = 100Mbps/8 0.05sec = 0.625MB。 我们可以将 TCP 窗口设置为 BDP 或 2*BDP。 linux 2.6 默认窗口大小是 110KB，通过计算，可以知道它限制了带宽为 2.2MBps，也就限制了吞吐量，可见我们主动设置 TCP 窗口大小的必要性。 在 linux 中，通过修改下列配置文件 TCP/IP 参数可以实现自动配置 TCP/IP 参数的功能：

linux 可调节 tcp 参数设置

想要修改相应的参数，只需： echo 256960 > /proc/sys/net/core/rmem_default。 echo 256960 > /proc/sys/net/core/rmem_max。 echo 256960 > /proc/sys/net/core/wmem_default。 echo 256960 > /proc/sys/net/core/wmem_max。 echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_timestamps。 echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_sack。 echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_window_scaling。

4.1. window scaling

linux 最大只能支持 64KB 的窗口大小，当启用 window scaling 扩展后，可以实现 32位窗口大小的设置来突破这一限制，因此，如果需要设置 64KB 以上的窗口大小，则必须将 /proc/sys/net/ipv4/tcp_window_scaling 设置为 1。

4.2. 主动设置发送、接收缓冲区大小

下面的代码设置了缓冲区大小：

int ret, sock, sock_buf_size;
sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
sock_buf_size = BDP;
ret = setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF,
        (char *)&sock_buf_size, sizeof(sock_buf_size));
ret = setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF,
        (char *)&sock_buf_size, sizeof(sock_buf_size));

在 Linux 2.6 内核中，发送缓冲区的大小是由调用用户来定义的，但是接收缓冲区会自动加倍，同时，缓冲区的实际大小还是受限于上面说的系统的相关配置。