TCP协议之网络延时

影响TCP 网络时延的因素
硬件速度
网络和服务器的负载
请求和响应报文的尺寸
客户端和服务器之间的距离
TCP 协议的技术复杂性
TCP协议产生的时延
TCP 连接建立握手；
TCP 慢启动拥塞控制；
数据聚集的 Nagle 算法；
用于捎带确认的 TCP 延迟确认算法；
TIME_WAIT 时延和端口耗尽。
TCP连接建立
TCP连接的建立，需要经历3个报文的交互过程，沟通相关连接参数，这个过程称为三次握手（three-way handshake）。

因此，如果在每次发送数据之前，都重新建立一次TCP连接，那么建立连接的耗时将对性能产生较大的影响（特别是在发送少量数据的情况下）。

三次握手四次挥手(参考自coolshell)

优化方法

建立长连接，多次数据的发送复用同一条连接。

TCP慢启动
如果在发送方和接收方之间存在多个路由器和速率较慢的链路，此时多个发送方一开始便向网络发送多个报文段，由于受网络传输和服务端处理能力的影响，一些中间路由器必须缓存分组，并有可能最终耗尽存储器的空间，因而更多的报文发送将使网络出现拥塞。

TCP慢启动（slow start），就是用于防止因特网的突然过载和拥塞的一种流量控制机制。

慢启动为发送方的TCP增加了一个窗口：拥塞窗口（congestion window），简称cwnd。

刚建立连接时，拥塞窗口被初始化为1个报文段。每收到一个ACK，拥塞窗口就增加一个报文段。发送方取拥塞窗口与接收方通告窗口中的最小值作为发送上限。

也就是说，TCP连接会随着时间进行自我“调谐”，起初会限制连接的最大速度，如果数据成功传输，会随着时间的推移提高传输的速度。

注：拥塞窗口是发送方使用的流量控制，而通告窗口则是接收方使用的流量控制。(和滑动窗口一样么？)

优化方法

采用长连接，避免每次建立连接后的慢启动。

Nagle算法
在广域网上，小分组会增加网络拥塞出现的可能性。Nagle算法（根据其发明者John Nagle命名）旨在收集这些小分组，以一个分组的方式发出去，以提高网络效率。

该算法要求一个TCP连接上最多只能有一个未被确认的未完成的小分组，在该分组的确认到达之前不能发送其他的小分组。

该算法的优越之处在于它是自适应的：确认到达得越快，数据也就发送得越快。

Nagle 算法会引发以下性能问题

当报文无法填满一个分组时，需要等待其他额外数据；
Nagle算法会阻止数据的发送，直到有确认分组抵达为止，但确认分组自身会被延迟确认算法延迟 100 ～ 200 毫秒。
算法伪代码

if there is new data to send
  if the window size >= MSS and available data is >= MSS
    send complete MSS segment now
  else
    if there is unconfirmed data still in the pipe
      enqueue data in the buffer until an acknowledge is received
    else
      send data immediately
    end if
  end if
end if
优化方法

对于实时性要求较高的应用场景，可以通过设置TCP_NODELAY参数来关闭Nagle算法，提高性能。

延时确认算法
通常TCP在接收到数据时并不立即发送ACK；相反，它推迟发送，以便将ACK与需要沿该方向发送的数据一起发送。

有时称这种现象为数据捎带ACK，由于确认报文通常很小，所以TCP允许在发往相同方向的输出数据分组中对其进行“捎带”。

绝大多数实现采用的时延为200ms，也就是说，TCP将以最大200ms的时延等待是否有数据一起发送。

通常，延迟确认算法会引入相当大的时延。

优化方法

根据所使用操作系统的不同，可以调整或禁止延迟确认算法。（这个方法我没尝试过）

TIME_WAIT状态
TIME_WAIT状态也称为2MSL等待状态。

当某个 TCP 端点关闭 TCP 连接时， 会在内存中维护一个小的控制块，用来记录最近所关闭连接的 IP 地址和端口号。

这类信息只会维持一小段时间，通常是所估计的报文段最大生存时间的的两倍（称为2MSL，通常为2分钟左右），以确保在这段时间内不会创建具有相同地址和端口号的新连接。

实际上，这个算法可以防止在两分钟内创建、关闭并重新创建两个具有相同IP地址和端口号的连接。

将 2MSL 的值取为 2 分钟是有历史原因的。很早以前，路由器的速度还很慢，人们估计，在将一个分组的复制副本丢弃之前，它可以在因特网队列中保留最多一分钟的时间。现在，最大分段生存期要小得多了。

报文段最大生存时间MSL（Maximum Segment Lifetime），是指任何报文段被丢弃前在网络中的最长生存时间。

RFC 793 [Postel 1981c]指出MSL为2分钟。然而，实现中的常用值是30秒，1分钟或2分钟。

优化方法

打开tcp_tw_reuse，让程序可以重用处于TIME_WAIT状态的端口。如果使用tcp_tw_reuse，必需设置tcp_timestamps=1（默认值）。（这个对于快速重启某些服务很有用，特别是服务端程序）
打开tcp_tw_recycle，让处于TIME_WAIT状态的套接字更快的回收。

贴一个nagle算法更详细的讲解

Nagle算法用于对缓冲区内的一定数量的消息进行自动连接。该处理过程(称为Nagling)，通过减少必须发送的封包的数量，提高了网络应用程序系统的效率。

1. Nagle算法的规则

（可参考tcp_output.c文件里tcp_nagle_check函数注释）：
1）如果包长度达到MSS(MSS是最大分段大小Maxitum Segment Size ，MTU是最大传输单元Maxitum Transmission Unit)，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，若所有发出去的包均被确认，或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。
   对于规则4），就是说一个TCP连接上最多只能有一个未被确认的小数据包，在该分组的确认到达之前，不能发送其他的小数据包。如果某个小分组的确认被延迟了，那么后续小分组的发送就会相应的延迟。也就是说延迟确认影响的并不只是被延迟确认的那个数据包，而是后续所有的应答包。

2. Nagle算法的门槛

实际上Nagle算法并不是很复杂，他的主要职责是数据的累积，实际上有三个门槛：

1）缓冲区中的字节数达到了一定量；

2）等待了一定的时间（一般的Nagle算法都是等待200ms）；

3）紧急数据发送。

这三个门槛的任何一个达到都必须发送数据了。一般情况下，如果数据流量很大，第二个条件是永远不会起作用的，但当发送小的数据包时，第二个门槛就发挥作用了，防止数据被无限的缓存在缓冲区不是好事情哦。

3. Nagle算法的选项配置

TCP_NODELAY和TCP_CORK都是禁用Nagle算法，只不过NODELAY完全关闭而TCP_CORK完全由自己决定发送时机。Linux文档上说两者不要同时设置。

3.1 TCP_NODELAY 选项

设置该选项: setsockopt(s,IPPRO_TCP,TCP_NODELAY,(const char*)&on,sizeof(int));
读取该选项: getsockopt(s,IPPRO_TCP,TCP_NODELAY,(char*)&on,&optlen);

默认情况下, 发送数据采用Nagle 算法. Nagle 算法是指发送方发送的数据不会立即发出,而是先放在缓冲区, 等缓存区满了再发出. 发送完一批数据后, 会等待接收方对这批数据的回应,然后再发送下一批数据。

Nagle 算法适用于发送方需要发送大批量数据, 并且接收方会及时作出回应的场合, 这种算法通过减少传输数据的次数来提高通信效率。

如果发送方持续地发送小批量的数据, 并且接收方不一定会立即发送响应数据, 那么Nagle算法会使发送方运行很慢。

3.2 TCP_CORK选项

TCP链接的过程中，默认开启Nagle算法，进行小包发送的优化。优化网络传输，兼顾网络延时和网络拥塞。这个时候可以置位TCP_NODELAY关闭Nagle算法，有数据包的话直接发送保证网络时效性。

在进行大量数据发送的时候可以置位TCP_CORK关闭Nagle算法保证网络利用性。尽可能的进行数据的组包，以最大mtu传输，如果发送的数据包大小过小则如果在0.6~0.8S范围内都没能组装成一个MTU时，直接发送。如果发送的数据包大小足够间隔在0.45内时，每次组装一个MTU进行发送。如果间隔大于0.4~0.8S则，每过来一个数据包就直接发送。

Nagle组织包的长度是由系统决定的，有时候我们知道我们会每个1分钟产生1字节，共1000字节。如果完全由Nagle算法来发送的话，可能还是会1字节1字节发送[这是一种极端情况，假设返回ACK时间不是很长]。这个时候首先设置TCP_CORK能够阻塞住TCP[尽量阻塞住]，等我们write完1000字节之后，取消TCP_CORK，这个时候就能够将1000字节一次发出。

总结：

TCP_CORK选项与TCP_NODELAY一样，是控制Nagle化的。

1）打开TCP_NODELAY选项，则意味着无论数据包是多么的小，都立即发送（不考虑拥塞窗口）。
2）如果将TCP连接比喻为一个管道，那TCP_CORK选项的作用就像一个塞子。

设置TCP_CORK选项，就是用塞子塞住管道，而取消TCP_CORK选项，就是将塞子拔掉。

当TCP_CORK选项被设置时，TCP链接不会发送任何的小包，即只有当数据量达到MSS时，才会被发送。

一般当数据传输完成时，通常需要取消该选项，以防被塞住，这样才可以让不够MSS大小的包能及时发出去。