TCP Nagle算法&&延迟确认机制

TCP Nagle算法

http://baike.baidu.com/view/2468335.htm

百度百科：TCP/IP协议中，无论发送多少数据，总是要在数据前面加上协议头，同时，对方接收到数据，也需要发送ACK表示确认。为了尽可能的利用网络带宽，TCP总是希望尽可能的发送足够大的数据。（一个连接会设置MSS参数，因此，TCP/IP希望每次都能够以MSS尺寸的数据块来发送数据）。Nagle算法就是为了尽可能发送大块数据，避免网络中充斥着许多小数据块。（减少大量小包的发送）

Nagle算法的基本定义是任意时刻，最多只能有一个未被确认的小段。所谓“小段”，指的是小于MSS尺寸的数据块，所谓“未被确认”，是指一个数据块发送出去后，没有收到对方发送的ACK确认该数据已收到。

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，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。

Nagle算法只允许一个未被ACK的包存在于网络，它并不管包的大小，因此它事实上就是一个扩展的停-等协议（停止等待ARQ协议），只不过它是基于包停-等的，而不是基于字节停-等的。Nagle算法完全由TCP协议的ACK机制决定，这会带来一些问题，比如如果对端ACK回复很快的话，Nagle事实上不会拼接太多的数据包，虽然避免了网络拥塞，网络总体的利用率依然很低。

Nagle算法的应用场景

在Nagle算法的Wiki主页，有这么一段话：

In general, since Nagle's algorithm is only a defense against careless applications, it will not benefit a carefully written application that takes proper care of buffering; the algorithm has either no effect, or negative effect on the application.

可见编程模型对“减少网络上小包数量”的影响，言外之意，Nagle算法是个有针对性的优化-针对交互式应用，不是放之四海而皆准的标准，要想有一个比较好的方案，别指望它了，还是应用程序自己搞定才是正解！要想Nagle算法真的能够减少网络上小包数量而又不引入明显延迟，对TCP数据的产生方式是有要求的，交互式应用是其初始针对的对象，，Nagle算法要求数据必须是“乒乓型”的，也就是说，数据流有明确的边界且一来一回，类似人机交互的那种，比如telnet这种远程终端登录程序，数据是人从键盘敲入的，边界基本上就是击键，一来一回就是输入回显和处理回显。Nagle算法在上面的场景中保证了下一个小包发送之前，所有发出的包已经得到了确认，再次我们看到，Nagle算法并没有阻止发送小包，它只是阻止了发送大量的小包。

换句话说，所谓的“乒乓型”模式就是“write-read-write-read”模式-人机交互模式，但是对于Wiki中指出的“write-write-read”(很多的request/response模式C/S服务就是这样的，比如HTTP)-程序交互模式，Nagle算法和延迟ACK（延迟确认机制）拔河的恶果就会被放大。

有一篇很好的文章http://baus.net/on-tcp_cork/《TCP_CORK: More than you ever wanted to know》，文章说，Nagle算法对于数据来自于user input的那种应用是有效的，但是对于数据generated  by applications using stream oriented protocols，Nagle算法纯粹引入了延迟，这个观点我非常赞同，因为对于人而言，TCP登录俄远程计算机就是一个处理机，人希望自己的操作马上展示结果，其模式就是write-read-write-read的，但是对于程序而言，其数据产生逻辑就不像人机交互那么固定，因此你就不能假定程序依照任何序列进行网络IO，而Nagle算法是和数据IO的序列相关的。实际上就算接收端没有启用延迟ACK，Nagle算法应用于write-write-read序列也是有问题的，作者的意思是，平白无故地引入了额外的延迟。

难道真的有这么复杂吗？作者没有提出如何靠编程把问题解决，但是Nagle算法的Wiki页面上提到了”尽量编写好的代码而不要依赖TCP内置的所谓的算法“来优化TCP的行为。

TCP_NODELAY 套接字选项

默认情况下，发送数据采用Negle 算法。这样虽然提高了网络吞吐量，但是实时性却降低了，在一些交互性很强的应用程序来说是不允许的，

使用TCP_NODELAY选项可以禁止Negale 算法。 

延迟确认机制（TCP delayed acknowledgment）

wiki的解释https://en.wikipedia.org/wiki/TCP_delayed_acknowledgment

1989 RFC 1122定义，全名Delayed Acknowledgment，简称延迟ACK，翻译为延迟确认。 

与Nagle算法一样，延迟ACK的目的也是为了减少网络中传输大量的小报文数，但该报文数是针对ACK报文的。

当Nagle算法遇到Delayed ACK

在一个有数据传输的TCP连接中，如果只有数据发送方启用Nagle算法，在其连续发送多个小报文时，Nagle算法机制会减少网络中的小报文数量。这就意味着，同样传输相同大小的应用数据，在网络上的报文个数却不同。

举个例子，发送端需要连续发送5个写操作（应用程序将数据写入到缓冲池的动作）的小报文，首先发送第一个，由于Nagle算法的作用，在未收到第一个报文确认前，发送端在等待写操作的同时进行读操作，接收端并未启用延迟确认（视TCP delay ACK时间为0），尽管刚收到该报文就发出确认，但由于网络延时的原因，在收集齐另外4个小报文后，发送方才收到了第一个报文的ACK，则后面的4个报文会一起发送出去（大小未超过MSS），接收端再次ACK。

在上述发送5个小报文的过程中，只用了4个报文就实现了。但如果发送端未启用Nagle算法，完成整个过程则至少需要8个报文或10个报文才能实现，这里接收端未启用延迟确认，如下图所示。启用Nagle算法和未启用Nagle算法的场景中，从完成数据发送的时间来看，未启用Nagle算法的方式花费的时间会更长一些，如下图所示。这里基本看到了Nagle算法的好处了。

还是上述数据传输场景，发送端未启用Nagle算法，但接收端延迟确认默认时间为200ms，来看看这时的情况。 RFC 1122规定，Delayed ACK对单个的小报文可以延长确认的时间，但不允许有两个连续的小报文不被确认。所以，当发送端连续发送两个报文后，接收端必须给予确认。这时的数据传输情况如下图，只有当第5个报文到达后，接收端由于延迟确认机制，会导致200ms的延时存在。

接下来看看，当Nagle算法遇到Delayed ACK时会是什么情况。按照常理推断，两种深思熟虑的功能设计，应该是1+1>2的效果。具体如何，还是请事实说话。

先继续看上面的假设场景，该场景要求发送端向接收端发送5个连续的写操作数据，但网络延时较大，同时发送端启用Nagle算法，接收端Delayed ACK默认为200ms。

发送方先发出一个小报文，接收端收到后，由于延迟确认的机制，等待发送方的下一个报文到达。而发送方由于Nagle算法机制，在未接收到第一个报文的确认前，不会发送已读取到的报文。  在这种场景下，暂不考虑应用处理时间，完成整个数据传输所需时间为2RTT+400ms，貌似情况不是特别糟糕。

如果上述其他条件不变，发送方应用写操作延时稍微变大，或发送端的应用操作延时稍大，我们再看看，完成这个操作的延时情况。

发送方先发出一个小报文，接收端收到后，由于延迟确认的机制，等待发送方的下一个报文到达。由于发送方应用数据写操作延时较大，在经过RTT+200ms后，读取到了下一个需要发送的内容，此时接收到了第一个报文的确认，而网络中未有没被确认的报文，发送方需要再将第二个小报文发送出去，以此类推，直到最后一个小报文被发送，且接收到该报文的确认，此时整个数据传输过程完成。

在这种情景下，完成整个数据传输所需时间则为5RTT+5*200ms，明显增大了不少。如果相同情境下，有成千上万的小报文发送，则整体使用时间相当可观了。

在实际情况下，如果发送方程序做了一系列的写、写、读操作的现象，这样的操作都会触发Nagle和延迟ACK算法之间的交互作用，应该尽量避免。

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