关于TCP_NODELAY 和 TCP_CORK选项

TCP_NODELAY 和 TCP_CORK
这两个选项都对网络连接的行为具有重要的作用。许多UNIX系统都实现了TCP_NODELAY选项，但是，TCP_CORK则是Linux系统所独有的 而且相对较新；它首先在内核版本2.4上得以实现。此外，其他UNIX系统版本也有功能类似的选项，值得注意的是，在某种由BSD派生的系统上的 TCP_NOPUSH选项其实就是TCP_CORK的一部分具体实现。 
TCP_NODELAY和TCP_CORK基本上控制了包的“Nagle化”，Nagle化在这里的含义是采用Nagle算法把较小的包组装为更大的帧。 John Nagle是Nagle算法的发明人，后者就是用他的名字来命名的，他在1984年首次用这种方法来尝试解决福特汽车公司的网络拥塞问题（欲了解详情请参 看IETF RFC 896）。他解决的问题就是所谓的silly window syndrome ，中文称“愚蠢窗口症候群”，具体含义是，因为普遍终端应用程序每产生一次击键操作就会发送一个包，而典型情况下一个包会拥有一个字节的数据载荷以及40 个字节长的包头，于是产生4000%的过载，很轻易地就能令网络发生拥塞,。 Nagle化后来成了一种标准并且立即在因特网上得以实现。它现在已经成为缺省配置了，但在我们看来，有些场合下把这一选项关掉也是合乎需要的。 
现在让我们假设某个应用程序发出了一个请求，希望发送小块数据。我们可以选择立即发送数据或者等待产生更多的数据然后再一次发送两种策略。如果我们马上发 送数据，那么交互性的以及客户/服务器型的应用程序将极大地受益。例如，当我们正在发送一个较短的请求并且等候较大的响应时，相关过载与传输的数据总量相 比就会比较低，而且，如果请求立即发出那么响应时间也会快一些。以上操作可以通过设置套接字的TCP_NODELAY选项来完成，这样就禁用了Nagle 算法。 
另外一种情况则需要我们等到数据量达到最大时才通过网络一次发送全部数据，这种数据传输方式有益于大量数据的通信性能，典型的应用就是文件服务器。应用 Nagle算法在这种情况下就会产生问题。但是，如果你正在发送大量数据，你可以设置TCP_CORK选项禁用Nagle化，其方式正好同 TCP_NODELAY相反（TCP_CORK 和 TCP_NODELAY 是互相排斥的）。下面就让我们仔细分析下其工作原理。 
假设应用程序使用sendfile()函数来转移大量数据。应用协议通常要求发送某些信息来预先解释数据，这些信息其实就是报头内容。典型情况下报头很 小，而且套接字上设置了TCP_NODELAY。有报头的包将被立即传输，在某些情况下（取决于内部的包计数器），因为这个包成功地被对方收到后需要请求 对方确认。这样，大量数据的传输就会被推迟而且产生了不必要的网络流量交换。 
但是，如果我们在套接字上设置了TCP_CORK（可以比喻为在管道上插入“塞子”）选项，具有报头的包就会填补大量的数据，所有的数据都根据大小自动地 通过包传输出去。当数据传输完成时，最好取消TCP_CORK 选项设置给连接“拔去塞子”以便任一部分的帧都能发送出去。这同“塞住”网络连接同等重要。 
总而言之，如果你肯定能一起发送多个数据集合（例如HTTP响应的头和正文），那么我们建议你设置TCP_CORK选项，这样在这些数据之间不存在延迟。能极大地有益于WWW、FTP以及文件服务器的性能，同时也简化了你的工作。示例代码如下： 

intfd, on = 1; 
… 
/* 此处是创建套接字等操作，出于篇幅的考虑省略*/ 
… 
setsockopt (fd, SOL_TCP, TCP_CORK, &on, sizeof (on)); /* cork */ 
write (fd, …); 
fprintf (fd, …); 
sendfile (fd, …); 
write (fd, …); 
sendfile (fd, …); 
… 
on = 0; 
setsockopt (fd, SOL_TCP, TCP_CORK, &on, sizeof (on)); /* 拔去塞子 */ 


不幸的是，许多常用的程序并没有考虑到以上问题。例如，Eric Allman编写的sendmail就没有对其套接字设置任何选项。 

Apache HTTPD是因特网上最流行的Web服务器，它的所有套接字就都设置了TCP_NODELAY选项，而且其性能也深受大多数用户的满意。这是为什么呢？答 案就在于实现的差别之上。由BSD衍生的TCP/IP协议栈（值得注意的是FreeBSD）在这种状况下的操作就不同。当在TCP_NODELAY 模式下提交大量小数据块传输时，大量信息将按照一次write()函数调用发送一块数据的方式发送出去。然而，因为负责请求交付确认的记数器是面向字节而 非面向包（在Linux上）的，所以引入延迟的概率就降低了很多。结果仅仅和全部数据的大小有关系。而 Linux 在第一包到达之后就要求确认，FreeBSD则在进行如此操作之前会等待好几百个包。 

在Linux系统上，TCP_NODELAY的效果同习惯于BSD TCP/IP协议栈的开发者所期望的效果有很大不同，而且在Linux上的Apache性能表现也会更差些。其他在Linux上频繁采用TCP_NODELAY的应用程序也有同样的问题。 


TCP_DEFER_ACCEPT 

我们首先考虑的第1个选项是TCP_DEFER_ACCEPT（这是Linux系统上的叫法，其他一些操作系统上也有同样的选项但使用不同的名字）。为了 理解TCP_DEFER_ACCEPT选项的具体思想，我们有必要大致阐述一下典型的HTTP客户/服务器交互过程。请回想下TCP是如何与传输数据的目 标建立连接的。在网络上，在分离的单元之间传输的信息称为IP包（或IP 数据报）。一个包总有一个携带服务信息的包头，包头用于内部协议的处理，并且它也可以携带数据负载。服务信息的典型例子就是一套所谓的标志，它把包标记代 表TCP/IP协议栈内的特殊含义，例如收到包的成功确认等等。通常，在经过“标记”的包里携带负载是完全可能的，但有时，内部逻辑迫使TCP/IP协议 栈发出只有包头的IP包。这些包经常会引发讨厌的网络延迟而且还增加了系统的负载，结果导致网络性能在整体上降低。 
现在服务器创建了一个套接字同时等待连接。TCP/IP式的连接过程就是所谓“3次握手”。首先，客户程序发送一个设置SYN标志而且不带数据负载的 TCP包（一个SYN包）。服务器则以发出带SYN/ACK标志的数据包（一个SYN/ACK包）作为刚才收到包的确认响应。客户随后发送一个ACK包确 认收到了第2个包从而结束连接过程。在收到客户发来的这个SYN/ACK包之后，服务器会唤醒一个接收进程等待数据到达。当3次握手完成后，客户程序即开 始把“有用的”的数据发送给服务器。通常，一个HTTP请求的量是很小的而且完全可以装到一个包里。但是，在以上的情况下，至少有4个包将用来进行双向传 输，这样就增加了可观的延迟时间。此外，你还得注意到，在“有用的”数据被发送之前，接收方已经开始在等待信息了。 
为了减轻这些问题所带来的影响，Linux（以及其他的一些操作系统）在其TCP实现中包括了TCP_DEFER_ACCEPT选项。它们设置在侦听套接 字的服务器方，该选项命令内核不等待最后的ACK包而且在第1个真正有数据的包到达才初始化侦听进程。在发送SYN/ACK包之后，服务器就会等待客户程 序发送含数据的IP包。现在，只需要在网络上传送3个包了，而且还显著降低了连接建立的延迟，对HTTP通信而言尤其如此。 
这一选项在好些操作系统上都有相应的对等物。例如，在FreeBSD上，同样的行为可以用以下代码实现： 

/* 为明晰起见，此处略去无关代码 */ 
struct accept_filter_arg af = { "dataready", "" }; 
setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_ACCEPTFILTER, &af, sizeof(af)); 
这个特征在FreeBSD上叫做“接受过滤器”，而且具有多种用法。不过，在几乎所有的情况下其效果与TCP_DEFER_ACCEPT是一样的：服务器 不等待最后的ACK包而仅仅等待携带数据负载的包。要了解该选项及其对高性能Web服务器的重要意义的更多信息请参考Apache文档上的有关内容。 
就HTTP客户/服务器交互而言，有可能需要改变客户程序的行为。客户程序为什么要发送这种“无用的”ACK包呢？这是因为，TCP协议栈无法知道ACK 包的状态。如果采用FTP而非HTTP，那么客户程序直到接收了FTP服务器提示的数据包之后才发送数据。在这种情况下，延迟的ACK将导致客户/服务器 交互出现延迟。为了确定ACK是否必要，客户程序必须知道应用程序协议及其当前状态。这样，修改客户行为就成为必要了。 
对Linux客户程序来说，我们还可以采用另一个选项，它也被叫做TCP_DEFER_ACCEPT。我们知道，套接字分成两种类型，侦听套接字和连接套 接字，所以它们也各自具有相应的TCP选项集合。因此，经常同时采用的这两类选项却具有同样的名字也是完全可能的。在连接套接字上设置该选项以后，客户在 收到一个SYN/ACK包之后就不再发送ACK包，而是等待用户程序的下一个发送数据请求；因此，服务器发送的包也就相应减少了。 

TCP_QUICKACK 

阻止因发送无用包而引发延迟的另一个方法是使用TCP_QUICKACK选项。这一选项与 TCP_DEFER_ACCEPT不同，它不但能用作管理连接建立过程而且在正常数据传输过程期间也可以使用。另外，它能在客户/服务器连接的任何一方设 置。如果知道数据不久即将发送，那么推迟ACK包的发送就会派上用场，而且最好在那个携带数据的数据包上设置ACK 标志以便把网络负载减到最小。当发送方肯定数据将被立即发送（多个包）时，TCP_QUICKACK选项可以设置为0。对处于“连接”状态下的套接字该选 项的缺省值是1，首次使用以后内核将把该选项立即复位为1（这是个一次性的选项）。 
在某些情形下，发出ACK包则非常有用。ACK包将确认数据块的接收，而且，当下一块被处理时不至于引入延迟。这种数据传输模式对交互过程是相当典型的，因为此类情况下用户的输入时刻无法预测。在Linux系统上这就是缺省的套接字行为。 
在上述情况下，客户程序在向服务器发送HTTP请求，而预先就知道请求包很短所以在连接建立之后就应该立即发送，这可谓HTTP的典型工作方式。既然没有 必要发送一个纯粹的ACK包，所以设置TCP_QUICKACK为0以提高性能是完全可能的。在服务器方，这两种选项都只能在侦听套接字上设置一次。所有 的套接字，也就是被接受呼叫间接创建的套接字则会继承原有套接字的所有选项。 
通过TCP_CORK、TCP_DEFER_ACCEPT和TCP_QUICKACK选项的组合，参与每一HTTP交互的数据包数量将被降低到最小的可接 受水平（根据TCP协议的要求和安全方面的考虑）。结果不仅是获得更快的数据传输和请求处理速度而且还使客户/服务器双向延迟实现了最小化。