【学习笔记】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