TCP_NODELAY和Nagle算法

一、概述

在网络拥塞控制领域，有一个非常有名的算法叫做Nagle算法（Nagle algorithm），这是使用它的发明人John Nagle的名字来命名的，John Nagle在1984年首次用这个算法来尝试解决福特汽车公司的网络拥塞问题（RFC 896）。

该问题的具体描述是：如果我们的应用程序一次产生1个字节的数据，而这个1个字节数据又以网络数据包的形式发送到远端服务器，那么就很容易导致网络由于太多的数据包而过载。比如，当用户使用Telnet连接到远程服务器时，每一次击键操作就会产生1个字节数据，进而发送出去一个数据包，所以，在典型情况下，传送一个只拥有1个字节有效数据的数据包，却要发费40个字节长包头（即ip头20字节+tcp头20字节）的额外开销，这种有效载荷（payload）利用率极其低下的情况被统称之为愚蠢窗口症候群（Silly Window Syndrome）。可以看到，这种情况对于轻负载的网络来说，可能还可以接受，但是对于重负载的网络而言，就极有可能承载不了而轻易的发生拥塞瘫痪。

针对上面提到的这个状况，Nagle算法的改进在于：如果发送端欲多次发送包含少量字符的数据包（一般情况下，后面统一称长度小于MSS的数据包为小包，与此相对，称长度等于MSS的数据包为大包，为了某些对比说明，还有中包，即长度比小包长，但又不足一个MSS的包），则发送端会先将第一个小包发送出去，而将后面到达的少量字符数据都缓存起来而不立即发送，直到收到接收端对前一个数据包报文段的ACK确认、或当前字符属于紧急数据，或者积攒到了一定数量的数据（比如缓存的字符数据已经达到数据包报文段的最大长度）等多种情况才将其组成一个较大的数据包发送出去。

二、Nagle算法

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。

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。

举个例子，一开始client端调用socket的write操作将一个int型数据(称为A块)写入到网络中，由于此时连接是空闲的（也就是说还没有未被确认的小段），因此这个int型数据会被马上发送到server端，接着，client端又调用write操作写入一个int型数据（简称B块），这个时候，A块的ACK没有返回，所以可以认为已经存在了一个未被确认的小段，所以B块没有立即被发送，一直等待A块的ACK收到（大概40ms之后），B块才被发送。

这里两个问题：

1.(这个上面已经解释过了)为什么B块要在A块的ACK到达之后才发送？

Nagle算法。

2.就是A块数据的ACK为什么40ms之后才收到？

因为TCP/IP中不仅仅有Nagle算法(Nagle‘s Algorithm)，还有一个ACK延迟机制(TCP Delayed Ack) 。当Server端收到数据之后，它并不会马上向client端发送ACK，而是会将ACK的发送延迟一段时间（假设为t），它希望在t时间内server端会向client端发送应答数据，这样ACK就能够和应答数据一起发送，就像是应答数据捎带着ACK过去。

也就是如果一个 TCP 连接的一端启用了Nagle算法，而另一端启用了ACK延时机制，而发送的数据包又比较小，则可能会出现这样的情况：发送端在等待接收端对上一个packet的Ack才发送当前的packet，而接收端则正好延迟了此Ack的发送，那么这个正要被发送的packet就会同样被延迟。当然Delayed Ack是有个超时机制的，而默认的超时正好就是40ms。

现代的 TCP/IP 协议栈实现，默认几乎都启用了这两个功能，那岂不每次都会触发这个延迟问题？事实不是那样的。仅当协议的交互是发送端连续发送两个packet，然后立刻read的时候才会出现问题。

三、解决方案

1.优化协议
连续 write 小数据包，然后 read 其实是一个不好的网络编程模式，这样的连续 write 其实应该在应用层合并成一次 write。

2.开启TCP_NODELAY
简单地说，这个选项的作用就是禁用Nagle算法，禁止后当然就不会有它引起的一系列问题了。使用setsockopt可以做到：

static void _set_tcp_nodelay(int fd) {
int enable = 1;
setsockopt(fd, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (void*)&enable, sizeof(enable));
}