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本篇文章為大家展示了Linux下TCP延遲確認(rèn)Delayed Ack機(jī)制導(dǎo)致的時(shí)延問(wèn)題怎么解決，內(nèi)容簡(jiǎn)明扼要并且容易理解，絕對(duì)能使你眼前一亮，通過(guò)這篇文章的詳細(xì)介紹希望你能有所收獲。
案例一：同事隨手寫個(gè)壓力測(cè)試程序，其實(shí)現(xiàn)邏輯為：每秒鐘先連續(xù)發(fā)N個(gè)132字節(jié)的包，然后連續(xù)收N個(gè)由后臺(tái)服務(wù)回顯回來(lái)的132字節(jié)包。其代碼簡(jiǎn)化如下：
char sndBuf[132];
char rcvBuf[132];
while (1) {
for (int i = 0; i < N; i++){
send(fd, sndBuf, sizeof(sndBuf), 0);
...
}
for (int i = 0; i < N; i++) {
recv(fd, rcvBuf, sizeof(rcvBuf), 0);
...
}
sleep(1);
}在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)N大于等于3的情況，第2秒之后，每次第三個(gè)recv調(diào)用，總會(huì)阻塞40毫秒左右，但在分析Server端日志時(shí)，發(fā)現(xiàn)所有請(qǐng)求在Server端處理時(shí)耗均在2ms以下。
當(dāng)時(shí)的具體定位過(guò)程如下：先試圖用strace跟蹤客戶端進(jìn)程，但奇怪的是：一旦strace attach上進(jìn)程，所有收發(fā)又都正常，不會(huì)有阻塞現(xiàn)象，一旦退出strace，問(wèn)題重現(xiàn)。經(jīng)同事提醒，很可能是strace改變了程序或系統(tǒng)的某些東西(這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在也還沒(méi)搞清楚)，于是再用tcpdump抓包分析，發(fā)現(xiàn)Server后端在回現(xiàn)應(yīng)答包后，Client端并沒(méi)有立即對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行ACK確認(rèn)，而是等待了近40毫秒后才確認(rèn)。經(jīng)過(guò)Google，并查閱《TCP/IP詳解卷一:協(xié)議》得知，此即TCP的延遲確認(rèn)(Delayed Ack)機(jī)制。
其解決辦法如下：在recv系統(tǒng)調(diào)用后，調(diào)用一次setsockopt函數(shù)，設(shè)置TCP_QUICKACK。最終代碼如下：
char sndBuf[132];
char rcvBuf[132];
while (1) {
for (int i = 0; i < N; i++) {
send(fd, sndBuf, 132, 0);
...
}
for (int i = 0; i < N; i++) {
recv(fd, rcvBuf, 132, 0);
setsockopt(fd, IPPROTO_TCP, TCP_QUICKACK, (int[]){1}, sizeof(int));
}
sleep(1);
}案例二：在營(yíng)銷平臺(tái)內(nèi)存化CDKEY版本做性能測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求時(shí)耗分布異常：90%的請(qǐng)求均在2ms以內(nèi)，而10%左右時(shí)耗始終在38-42ms之間，這是一個(gè)很有規(guī)律的數(shù)字：40ms。因?yàn)橹敖?jīng)歷過(guò)案例一，所以猜測(cè)同樣是因?yàn)檠舆t確認(rèn)機(jī)制引起的時(shí)耗問(wèn)題，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的抓包驗(yàn)證后，通過(guò)設(shè)置TCP_QUICKACK選項(xiàng)，得以解決時(shí)延問(wèn)題。
在《TCP/IP詳解卷一：協(xié)議》第19章對(duì)其進(jìn)行原理進(jìn)行了詳細(xì)描述：TCP在處理交互數(shù)據(jù)流(即Interactive Data Flow，區(qū)別于Bulk Data Flow，即成塊數(shù)據(jù)流，典型的交互數(shù)據(jù)流如telnet、rlogin等)時(shí)，采用了Delayed Ack機(jī)制以及Nagle算法來(lái)減少小分組數(shù)目。
書上已經(jīng)對(duì)這兩種機(jī)制的原理講的很清晰，這里不再做復(fù)述。本文后續(xù)部分將通過(guò)分析TCP/IP在Linux下的實(shí)現(xiàn)，來(lái)解釋一下TCP的延遲確認(rèn)機(jī)制。
其實(shí)僅有延遲確認(rèn)機(jī)制，是不會(huì)導(dǎo)致請(qǐng)求延遲的(初以為是必須等到ACK包發(fā)出去，recv系統(tǒng)調(diào)用才會(huì)返回)。一般來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)該機(jī)制與Nagle算法或擁塞控制(慢啟動(dòng)或擁塞避免)混合作用時(shí)，才可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)耗增長(zhǎng)。我們下面來(lái)詳細(xì)看看是如何相互作用的：
我們先看看Nagle算法的規(guī)則(可參考tcp_output.c文件里tcp_nagle_check函數(shù)注釋)：
1)如果包長(zhǎng)度達(dá)到MSS，則允許發(fā)送；
2)如果該包含有FIN，則允許發(fā)送；
3)設(shè)置了TCP_NODELAY選項(xiàng)，則允許發(fā)送；
4)未設(shè)置TCP_CORK選項(xiàng)時(shí)，若所有發(fā)出去的包均被確認(rèn)，或所有發(fā)出去的小數(shù)據(jù)包(包長(zhǎng)度小于MSS)均被確認(rèn)，則允許發(fā)送。
對(duì)于規(guī)則4)，就是說(shuō)要求一個(gè)TCP連接上最多只能有一個(gè)未被確認(rèn)的小數(shù)據(jù)包，在該分組的確認(rèn)到達(dá)之前，不能發(fā)送其他的小數(shù)據(jù)包。如果某個(gè)小分組的確認(rèn)被延遲了(案例中的40ms)，那么后續(xù)小分組的發(fā)送就會(huì)相應(yīng)的延遲。也就是說(shuō)延遲確認(rèn)影響的并不是被延遲確認(rèn)的那個(gè)數(shù)據(jù)包，而是后續(xù)的應(yīng)答包。
1 00:44:37.878027 IP 171.24.38.136.44792 > 175.24.11.18.9877: S 3512052379:3512052379(0) win 5840 <mss 1448,wscale 7> 2 00:44:37.878045 IP 175.24.11.18.9877 > 171.24.38.136.44792: S 3581620571:3581620571(0) ack 3512052380 win 5792 <mss 1460,wscale 2> 3 00:44:37.879080 IP 171.24.38.136.44792 > 175.24.11.18.9877: . ack 1 win 46 ...... 4 00:44:38.885325 IP 171.24.38.136.44792 > 175.24.11.18.9877: P 1321:1453(132) ack 1321 win 86 5 00:44:38.886037 IP 175.24.11.18.9877 > 171.24.38.136.44792: P 1321:1453(132) ack 1453 win 2310 6 00:44:38.887174 IP 171.24.38.136.44792 > 175.24.11.18.9877: P 1453:2641(1188) ack 1453 win 102 7 00:44:38.887888 IP 175.24.11.18.9877 > 171.24.38.136.44792: P 1453:2476(1023) ack 2641 win 2904 8 00:44:38.925270 IP 171.24.38.136.44792 > 175.24.11.18.9877: . ack 2476 win 118 9 00:44:38.925276 IP 175.24.11.18.9877 > 171.24.38.136.44792: P 2476:2641(165) ack 2641 win 2904 10 00:44:38.926328 IP 171.24.38.136.44792 > 175.24.11.18.9877: . ack 2641 win 134
從上面的tcpdump抓包分析看，第8個(gè)包是延遲確認(rèn)的，而第9個(gè)包的數(shù)據(jù)，在Server端(175.24.11.18)雖然早就已放到TCP發(fā)送緩沖區(qū)里面(應(yīng)用層調(diào)用的send已經(jīng)返回)了，但按照Nagle算法，第9個(gè)包需要等到第個(gè)7包(小于MSS)的ACK到達(dá)后才能發(fā)出。
我們先利用TCP_NODELAY選項(xiàng)關(guān)閉Nagle算法，再來(lái)分析延遲確認(rèn)與TCP擁塞控制是如何互相作用的。
慢啟動(dòng)：TCP的發(fā)送方維護(hù)一個(gè)擁塞窗口，記為cwnd。TCP連接建立是，該值初始化為1個(gè)報(bào)文段，每收到一個(gè)ACK，該值就增加1個(gè)報(bào)文段。發(fā)送方取擁塞窗口與通告窗口(與滑動(dòng)窗口機(jī)制對(duì)應(yīng))中的最小值作為發(fā)送上限(擁塞窗口是發(fā)送方使用的流控，而通告窗口則是接收方使用的流控)。發(fā)送方開(kāi)始發(fā)送1個(gè)報(bào)文段，收到ACK后，cwnd從1增加到2，即可以發(fā)送2個(gè)報(bào)文段，當(dāng)收到這兩個(gè)報(bào)文段的ACK后，cwnd就增加為4，即指數(shù)增長(zhǎng)：例如第一個(gè)RTT內(nèi)，發(fā)送一個(gè)包，并收到其ACK，cwnd增加1，而第二個(gè)RTT內(nèi)，可以發(fā)送兩個(gè)包，并收到對(duì)應(yīng)的兩個(gè)ACK，則cwnd每收到一個(gè)ACK就增加1，最終變?yōu)?，實(shí)現(xiàn)了指數(shù)增長(zhǎng)。
在Linux實(shí)現(xiàn)里，并不是每收到一個(gè)ACK包，cwnd就增加1，如果在收到ACK時(shí)，并沒(méi)有其他數(shù)據(jù)包在等待被ACK，則不增加。
本人使用案例1的測(cè)試代碼，在實(shí)際測(cè)試中，cwnd從初始值2開(kāi)始，最終保持3個(gè)報(bào)文段的值，tcpdump結(jié)果如下：
1 16:46:14.288604 IP 178.14.5.3.1913 > 178.14.5.4.20001: S 1324697951:1324697951(0) win 5840 <mss 1460,wscale 2> 2 16:46:14.289549 IP 178.14.5.4.20001 > 178.14.5.3.1913: S 2866427156:2866427156(0) ack 1324697952 win 5792 <mss 1460,wscale 2> 3 16:46:14.288690 IP 178.14.5.3.1913 > 178.14.5.4.20001: . ack 1 win 1460 ...... 4 16:46:15.327493 IP 178.14.5.3.1913 > 178.14.5.4.20001: P 1321:1453(132) ack 1321 win 4140 5 16:46:15.329749 IP 178.14.5.4.20001 > 178.14.5.3.1913: P 1321:1453(132) ack 1453 win 2904 6 16:46:15.330001 IP 178.14.5.3.1913 > 178.14.5.4.20001: P 1453:2641(1188) ack 1453 win 4140 7 16:46:15.333629 IP 178.14.5.4.20001 > 178.14.5.3.1913: P 1453:1585(132) ack 2641 win 3498 8 16:46:15.337629 IP 178.14.5.4.20001 > 178.14.5.3.1913: P 1585:1717(132) ack 2641 win 3498 9 16:46:15.340035 IP 178.14.5.4.20001 > 178.14.5.3.1913: P 1717:1849(132) ack 2641 win 3498 10 16:46:15.371416 IP 178.14.5.3.1913 > 178.14.5.4.20001: . ack 1849 win 4140 11 16:46:15.371461 IP 178.14.5.4.20001 > 178.14.5.3.1913: P 1849:2641(792) ack 2641 win 3498 12 16:46:15.371581 IP 178.14.5.3.1913 > 178.14.5.4.20001: . ack 2641 win 4536
上表中的包，是在設(shè)置TCP_NODELAY，且cwnd已經(jīng)增長(zhǎng)到3的情況，第7、8、9發(fā)出后，受限于擁塞窗口大小，即使此時(shí)TCP緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)可以發(fā)送亦不能繼續(xù)發(fā)送，即第11個(gè)包必須等到第10個(gè)包到達(dá)后，才能發(fā)出，而第10個(gè)包明顯有一個(gè)40ms的延遲。
注：通過(guò)getsockopt的TCP_INFO選項(xiàng)(man 7 tcp)可以查看TCP連接的詳細(xì)信息，例如當(dāng)前擁塞窗口大小，MSS等。
首先在redhat的官方文檔中，有如下說(shuō)明：
一些應(yīng)用在發(fā)送小的報(bào)文時(shí)，可能會(huì)因?yàn)門CP的Delayed Ack機(jī)制，導(dǎo)致一定的延遲。其值默認(rèn)為40ms。可以通過(guò)修改tcp_delack_min，調(diào)整系統(tǒng)級(jí)別的最小延遲確認(rèn)時(shí)間。例如：
# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/tcpdelackmin
即是期望設(shè)置最小的延遲確認(rèn)超時(shí)時(shí)間為1ms。
不過(guò)在slackware和suse系統(tǒng)下，均未找到這個(gè)選項(xiàng)，也就是說(shuō)40ms這個(gè)最小值，在這兩個(gè)系統(tǒng)下，是無(wú)法通過(guò)配置調(diào)整的。
linux-2.6.39.1/net/tcp.h下有如下一個(gè)宏定義：
#define TCP_DELACK_MIN ((unsigned)(HZ/25)) /* minimal time to delay before sending an ACK */
注：Linux內(nèi)核每隔固定周期會(huì)發(fā)出timer interrupt(IRQ 0)，HZ是用來(lái)定義每秒有幾次timer interrupts的。舉例來(lái)說(shuō)，HZ為1000，代表每秒有1000次timer interrupts。HZ可在編譯內(nèi)核時(shí)設(shè)置。在我們現(xiàn)有服務(wù)器上跑的系統(tǒng)，HZ值均為250。
以此可知，最小的延遲確認(rèn)時(shí)間為40ms。
TCP連接的延遲確認(rèn)時(shí)間一般初始化為最小值40ms，隨后根據(jù)連接的重傳超時(shí)時(shí)間(RTO)、上次收到數(shù)據(jù)包與本次接收數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔等參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整。具體調(diào)整算法，可以參考linux-2.6.39.1/net/ipv4/tcp_input.c, Line 564的tcp_event_data_recv函數(shù)。
在man 7 tcp中，有如下說(shuō)明：
TCP_QUICKACK `Enable quickack mode if set or disable quickack mode if cleared. In quickack mode, acks are sent immediately, rather than delayed if needed in accordance to normal TCP operation. This flag is not permanent, it only enables a switch to or from quickack mode. Subsequent operation of the TCP protocol will once again enter/leave quickack mode depending on internal protocol processing and factors such as delayed ack timeouts occurring and data transfer. This option should not be used in code intended to be portable.`
手冊(cè)中明確描述TCP_QUICKACK不是永久的。那么其具體實(shí)現(xiàn)是如何的呢？參考setsockopt函數(shù)關(guān)于TCP_QUICKACK選項(xiàng)的實(shí)現(xiàn)：
case TCP_QUICKACK:
if (!val) {
icsk->icsk_ack.pingpong = 1;
} else {
icsk->icsk_ack.pingpong = 0;
if ((1 << sk->sk_state) &
(TCPF_ESTABLISHED | TCPF_CLOSE_WAIT) &&
inet_csk_ack_scheduled(sk)) {
icsk->icsk_ack.pending |= ICSK_ACK_PUSHED;
tcp_cleanup_rbuf(sk, 1);
if (!(val & 1))
icsk->icsk_ack.pingpong = 1;
}
}
break;其實(shí)linux下socket有一個(gè)pingpong屬性來(lái)表明當(dāng)前鏈接是否為交互數(shù)據(jù)流，如其值為1，則表明為交互數(shù)據(jù)流，會(huì)使用延遲確認(rèn)機(jī)制。但是pingpong這個(gè)值是會(huì)動(dòng)態(tài)變化的。例如TCP鏈接在要發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)執(zhí)行如下函數(shù)(linux-2.6.39.1/net/ipv4/tcp_output.c, Line 156)：
/* Congestion state accounting after a packet has been sent. */
static void tcp_event_data_sent(struct tcp_sock *tp,struct sk_buff *skb, struct sock *sk)
{
......
tp->lsndtime = now;
/* If it is a reply for ato after last received
* packet, enter pingpong mode.
*/
if ((u32)(now - icsk->icsk_ack.lrcvtime) < icsk->icsk_ack.ato)
icsk->icsk_ack.pingpong = 1;
}最后兩行代碼說(shuō)明：如果當(dāng)前時(shí)間與最近一次接受數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔小于計(jì)算的延遲確認(rèn)超時(shí)時(shí)間，則重新進(jìn)入交互數(shù)據(jù)流模式。也可以這么理解：延遲確認(rèn)機(jī)制被確認(rèn)有效時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入交互式。
通過(guò)以上分析可知，TCP_QUICKACK選項(xiàng)是需要在每次調(diào)用recv后重新設(shè)置的。
TCP實(shí)現(xiàn)里，用tcp_in_quickack_mode(linux-2.6.39.1/net/ipv4/tcp_input.c, Line 197)這個(gè)函數(shù)來(lái)判斷是否需要立即發(fā)送ACK。其函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：
/* Send ACKs quickly, if "quick" count is not exhausted
* and the session is not interactive.
*/
static inline int tcp_in_quickack_mode(const struct sock *sk)
{
const struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
return icsk->icsk_ack.quick && !icsk->icsk_ack.pingpong;
}要求滿足兩個(gè)條件才能算是quickack模式：
pingpong被設(shè)置為0。
快速確認(rèn)數(shù)(quick)必須為非0。
關(guān)于pingpong這個(gè)值，在前面有描述。而quick這個(gè)屬性其代碼中的注釋為：scheduled number of quick acks，即快速確認(rèn)的包數(shù)量，每次進(jìn)入quickack模式，quick被初始化為接收窗口除以2倍MSS值(linux-2.6.39.1/net/ipv4/tcp_input.c, Line 174)，每次發(fā)送一個(gè)ACK包，quick即被減1。
TCP_CORK選項(xiàng)與TCP_NODELAY一樣，是控制Nagle化的。
打開(kāi)TCP_NODELAY選項(xiàng)，則意味著無(wú)論數(shù)據(jù)包是多么的小，都立即發(fā)送(不考慮擁塞窗口)。
如果將TCP連接比喻為一個(gè)管道，那TCP_CORK選項(xiàng)的作用就像一個(gè)塞子。設(shè)置TCP_CORK選項(xiàng)，就是用塞子塞住管道，而取消TCP_CORK選項(xiàng)，就是將塞子拔掉。例如下面這段代碼：
int on = 1; setsockopt(sockfd, SOL_TCP, TCP_CORK, &on, sizeof(on)); //set TCP_CORK write(sockfd, ...); //e.g., http header sendfile(sockfd, ...); //e.g., http body on = 0; setsockopt(sockfd, SOL_TCP, TCP_CORK, &on, sizeof(on)); //unset TCP_CORK
當(dāng)TCP_CORK選項(xiàng)被設(shè)置時(shí)，TCP鏈接不會(huì)發(fā)送任何的小包，即只有當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到MSS時(shí)，才會(huì)被發(fā)送。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成時(shí)，通常需要取消該選項(xiàng)，以便被塞住，但是又不夠MSS大小的包能及時(shí)發(fā)出去。如果應(yīng)用程序確定能一起發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)集合(例如HTTP響應(yīng)的頭和正文)，建議設(shè)置TCP_CORK選項(xiàng)，這樣在這些數(shù)據(jù)之間不存在延遲。為提升性能及吞吐量，Web Server、文件服務(wù)器這一類一般會(huì)使用該選項(xiàng)。
著名的高性能Web服務(wù)器Nginx，在使用sendfile模式的情況下，可以設(shè)置打開(kāi)TCP_CORK選項(xiàng)：將nginx.conf配置文件里的tcp_nopush配置為on。(TCP_NOPUSH與TCP_CORK兩個(gè)選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)功能類似，只不過(guò)NOPUSH是BSD下的實(shí)現(xiàn)，而CORK是Linux下的實(shí)現(xiàn))。另外Nginx為了減少系統(tǒng)調(diào)用，追求性能極致，針對(duì)短連接(一般傳送完數(shù)據(jù)后，立即主動(dòng)關(guān)閉連接，對(duì)于Keep-Alive的HTTP持久連接除外)，程序并不通過(guò)setsockopt調(diào)用取消TCP_CORK選項(xiàng)，因?yàn)殛P(guān)閉連接會(huì)自動(dòng)取消TCP_CORK選項(xiàng)，將剩余數(shù)據(jù)發(fā)出。
上述內(nèi)容就是Linux下TCP延遲確認(rèn)Delayed Ack機(jī)制導(dǎo)致的時(shí)延問(wèn)題怎么解決，你們學(xué)到知識(shí)或技能了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或者豐富自己的知識(shí)儲(chǔ)備，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。
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