03 TCP 传输数据的性能提升

在前面介绍的是三次握手和四次挥手的优化策略，接下来主要介绍的是 TCP 传输数据时的优化策略。

TCP 连接是由内核维护的，内核会为每个连接建立内存缓冲区：

• 如果连接的内存配置过小，就无法充分使用网络带宽，TCP 传输效率就会降低；

• 如果连接的内存配置过大，很容易把服务器资源耗尽，这样就会导致新连接无法建立；

因此，我们必须理解 Linux 下 TCP 内存的用途，才能正确地配置内存大小。

滑动窗口是如何影响传输速度的？

TCP 会保证每一个报文都能够抵达对方，它的机制是这样：报文发出去后，必须接收到对方返回的确认报文 ACK，如果迟迟未收到，就会超时重发该报文，直到收到对方的 ACK 为止。

所以，TCP 报文发出去后，并不会立马从内存中删除，因为重传时还需要用到它。

由于 TCP 是内核维护的，所以报文存放在内核缓冲区。如果连接非常多，我们可以通过 free 命令观察到 buff/cache 内存是会增大。

如果 TCP 是每发送一个数据，都要进行一次确认应答。当上一个数据包收到了应答了， 再发送下一个。这个模式就有点像我和你面对面聊天，你一句我一句，但这种方式的缺点是效率比较低的。

所以，这样的传输方式有一个缺点：数据包的往返时间越长，通信的效率就越低。

要解决这一问题不难，并行批量发送报文，再批量确认报文即刻。

然而，这引出了另一个问题，发送方可以随心所欲的发送报文吗？当然这不现实，我们还得考虑接收方的处理能力。

当接收方硬件不如发送方，或者系统繁忙、资源紧张时，是无法瞬间处理这么多报文的。于是，这些报文只能被丢掉，使得网络效率非常低。

为了解决这种现象发生，TCP 提供一种机制可以让「发送方」根据「接收方」的实际接收能力控制发送的数据量，这就是滑动窗口的由来。

接收方根据它的缓冲区，可以计算出后续能够接收多少字节的报文，这个数字叫做接收窗口。当内核接收到报文时，必须用缓冲区存放它们，这样剩余缓冲区空间变小，接收窗口也就变小了；当进程调用 read 函数后，数据被读入了用户空间，内核缓冲区就被清空，这意味着主机可以接收更多的报文，接收窗口就会变大。

因此，接收窗口并不是恒定不变的，接收方会把当前可接收的大小放在 TCP 报文头部中的窗口字段，这样就可以起到窗口大小通知的作用。

发送方的窗口等价于接收方的窗口吗？如果不考虑拥塞控制，发送方的窗口大小「约等于」接收方的窗口大小，因为窗口通知报文在网络传输是存在时延的，所以是约等于的关系。

从上图中可以看到，窗口字段只有 2 个字节，因此它最多能表达 65535 字节大小的窗口，也就是 64KB 大小。

这个窗口大小最大值，在当今高速网络下，很明显是不够用的。所以后续有了扩充窗口的方法：在 TCP 选项字段定义了窗口扩大因子，用于扩大TCP通告窗口，使 TCP 的窗口大小从 2 个字节（16 位） 扩大为 30 位，所以此时窗口的最大值可以达到 1GB（2^30）。

Linux 中打开这一功能，需要把 tcp_window_scaling 配置设为 1（默认打开）：

要使用窗口扩大选项，通讯双方必须在各自的 SYN 报文中发送这个选项：

• 主动建立连接的一方在 SYN 报文中发送这个选项；

• 而被动建立连接的一方只有在收到带窗口扩大选项的 SYN 报文之后才能发送这个选项。

这样看来，只要进程能及时地调用 read 函数读取数据，并且接收缓冲区配置得足够大，那么接收窗口就可以无限地放大，发送方也就无限地提升发送速度。

这是不可能的，因为网络的传输能力是有限的，当发送方依据发送窗口，发送超过网络处理能力的报文时，路由器会直接丢弃这些报文。因此，缓冲区的内存并不是越大越好。

如果确定最大传输速度？

在前面我们知道了 TCP 的传输速度，受制于发送窗口与接收窗口，以及网络设备传输能力。其中，窗口大小由内核缓冲区大小决定。如果缓冲区与网络传输能力匹配，那么缓冲区的利用率就达到了最大化。

问题来了，如何计算网络的传输能力呢？

相信大家都知道网络是有「带宽」限制的，带宽描述的是网络传输能力，它与内核缓冲区的计量单位不同:

• 带宽是单位时间内的流量，表达是「速度」，比如常见的带宽 100 MB/s；

• 缓冲区单位是字节，当网络速度乘以时间才能得到字节数；

这里需要说一个概念，就是带宽时延积，它决定网络中飞行报文的大小，它的计算方式：

比如最大带宽是 100 MB/s，网络时延（RTT）是 10ms 时，意味着客户端到服务端的网络一共可以存放 100MB/s * 0.01s = 1MB 的字节。

这个 1MB 是带宽和时延的乘积，所以它就叫「带宽时延积」（缩写为 BDP，Bandwidth Delay Product）。同时，这 1MB 也表示「飞行中」的 TCP 报文大小，它们就在网络线路、路由器等网络设备上。如果飞行报文超过了 1 MB，就会导致网络过载，容易丢包。

由于发送缓冲区大小决定了发送窗口的上限，而发送窗口又决定了「已发送未确认」的飞行报文的上限。因此，发送缓冲区不能超过「带宽时延积」。

发送缓冲区与带宽时延积的关系：

• 如果发送缓冲区「超过」带宽时延积，超出的部分就没办法有效的网络传输，同时导致网络过载，容易丢包；

• 如果发送缓冲区「小于」带宽时延积，就不能很好的发挥出网络的传输效率。

所以，发送缓冲区的大小最好是往带宽时延积靠近。

怎样调整缓冲区大小？

在 Linux 中发送缓冲区和接收缓冲都是可以用参数调节的。设置完后，Linux 会根据你设置的缓冲区进行动态调节。

调节发送缓冲区范围

先来看看发送缓冲区，它的范围通过 tcp_wmem 参数配置；

在 Linux 中发送缓冲区和接收缓冲都是可以用参数调节的。设置完后，Linux 会根据你设置的缓冲区进行动态调节。

上面三个数字单位都是字节，它们分别表示：

• 第一个数值是动态范围的最小值，4096 byte = 4K；

• 第二个数值是初始默认值，87380 byte ≈ 86K；

• 第三个数值是动态范围的最大值，4194304 byte = 4096K（4M）；

发送缓冲区是自行调节的，当发送方发送的数据被确认后，并且没有新的数据要发送，就会把发送缓冲区的内存释放掉。

调节接收缓冲区范围

而接收缓冲区的调整就比较复杂一些，先来看看设置接收缓冲区范围的 tcp_rmem 参数：

上面三个数字单位都是字节，它们分别表示：

• 第一个数值是动态范围的最小值，表示即使在内存压力下也可以保证的最小接收缓冲区大小，4096 byte = 4K；

• 第二个数值是初始默认值，87380 byte ≈ 86K；

• 第三个数值是动态范围的最大值，6291456 byte = 6144K（6M）；

接收缓冲区可以根据系统空闲内存的大小来调节接收窗口：

• 如果系统的空闲内存很多，就可以自动把缓冲区增大一些，这样传给对方的接收窗口也会变大，因而提升发送方发送的传输数据数量；

• 反正，如果系统的内存很紧张，就会减少缓冲区，这虽然会降低传输效率，可以保证更多的并发连接正常工作；

发送缓冲区的调节功能是自动开启的，而接收缓冲区则需要配置 tcp_moderate_rcvbuf 为 1 来开启调节功能：

调节 TCP 内存范围

接收缓冲区调节时，怎么知道当前内存是否紧张或充分呢？这是通过 tcp_mem 配置完成的：

上面三个数字单位不是字节，而是「页面大小」，1 页表示 4KB，它们分别表示：

• 当 TCP 内存小于第 1 个值时，不需要进行自动调节；

• 在第 1 和第 2 个值之间时，内核开始调节接收缓冲区的大小；

• 大于第 3 个值时，内核不再为 TCP 分配新内存，此时新连接是无法建立的；

一般情况下这些值是在系统启动时根据系统内存数量计算得到的。根据当前 tcp_mem 最大内存页面数是 177120，当内存为 (177120 * 4) / 1024K ≈ 692M 时，系统将无法为新的 TCP 连接分配内存，即 TCP 连接将被拒绝。

根据实际场景调节的策略

在高并发服务器中，为了兼顾网速与大量的并发连接，我们应当保证缓冲区的动态调整的最大值达到带宽时延积，而最小值保持默认的 4K 不变即可。而对于内存紧张的服务而言，调低默认值是提高并发的有效手段。

同时，如果这是网络 IO 型服务器，那么，调大 tcp_mem 的上限可以让 TCP 连接使用更多的系统内存，这有利于提升并发能力。需要注意的是，tcp_wmem 和 tcp_rmem 的单位是字节，而 tcp_mem 的单位是页面大小。而且，千万不要在 socket 上直接设置 SO_SNDBUF 或者 SO_RCVBUF，这样会关闭缓冲区的动态调整功能。

小结

本节针对 TCP 优化数据传输的方式，做了一些介绍。

TCP 可靠性是通过 ACK 确认报文实现的，又依赖滑动窗口提升了发送速度也兼顾了接收方的处理能力。

可是，默认的滑动窗口最大值只有 64 KB，不满足当今的高速网络的要求，要想要想提升发送速度必须提升滑动窗口的上限，在 Linux 下是通过设置 tcp_window_scaling为 1 做到的，此时最大值可高达 1GB。

滑动窗口定义了网络中飞行报文的最大字节数，当它超过带宽时延积时，网络过载，就会发生丢包。而当它小于带宽时延积时，就无法充分利用网络带宽。因此，滑动窗口的设置，必须参考带宽时延积。

内核缓冲区决定了滑动窗口的上限，缓冲区可分为：发送缓冲区 tcp_wmem 和接收缓冲区 tcp_rmem。

Linux 会对缓冲区动态调节，我们应该把缓冲区的上限设置为带宽时延积。发送缓冲区的调节功能是自动打开的，而接收缓冲区需要把 tcp_moderate_rcvbuf 设置为 1 来开启。其中，调节的依据是 TCP 内存范围 tcp_mem。

但需要注意的是，如果程序中的 socket 设置 SO_SNDBUF 和 SO_RCVBUF，则会关闭缓冲区的动态整功能，所以不建议在程序设置它俩，而是交给内核自动调整比较好。

有效配置这些参数后，既能够最大程度地保持并发性，也能让资源充裕时连接传输速度达到最大值。

摘自

小林coding 的 面试官：换人！他连 TCP 这几个参数都不懂

自我感言

认真看完的话 真的会有很多不同的收获，重新认知三次握手跟四次挥手，不在理解字面意思，而明白了为啥系统会去这么做的缘由

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