37-tcp协议——糊涂窗口综合征和nagle算法

1. 糊涂窗口综合征

  假设一种这么情况，当发送方的应用进程发送数据的速度比较慢，或者接收方的应用进程读取数据速度比较慢，又或者双方都有。但无论是对哪一种情况，都会让发送数据很小，这将会降低tcp的性能。

  比如，接收方的缓存空间已经满了，接收方进程每次从缓存中只读1字节数据，而缓存每次也只腾出1字节的空间，然后向发送方发送确认，设置窗口为1字节，这样会导致发送方每次也只发送1字节的数据（发送方的窗口大小是由接收方的窗口rwnd控制的），如果加上tcp首部和ip首部的话，总共有41字节的数据，但实际的数据只有1字节，这会导致当前网络流量的利用率非常低，tcp的性能也就降低了，如果再加上物理层和数据链路层的开销，tcp的性能就会更低，这种情况一般称为糊涂窗口综合征（中文翻译为糊涂窗口综合症，简称SWS）。

2. 由发送方引起的糊涂窗口综合征

  也就是说，这种情况是由可能发生在发送方或接收方任何一方的，要解决这种情况，我们需要在任何一方采取有效措施避免。那么可以让接收方等待一段时间，直到接收窗口能容纳一个最大报文段（mss）或者接收方缓存腾出一半空间。对于发送方来说，必须等待可以发送一个最大报文长度（mss） 或者发送接收方缓存空间至少一半长度的时候，才能发送数据。

  拿发送方来说，需要等待多长时间才合适？如果等待时间过长，则数据的处理过程则会延长，如果等待时间过短，还是有可能发送很小的数据报文，为此，可以使用nagle算法解决这种问题。

3. nagle算法

  nagle算法要求一个tcp连接上最多只有一个已经发送但是未被确认的小分组（即少量数据的分组），且在这个分组被确认之前不能发送其他的小分组。这样tcp就会在发送缓存中积累这些数据比较小的分组，再组装成一个较大的分组，直到收到接收方发来的确认，然后把这个较大的分组发送出去。也就是说，发送方每次都会积累了足够的分组装成最大报文长度（mss）发送出去。

图1-nagle算法

  如上图所示，假设开启了nagle算法，发送方给接收方发送了一个hello，但是由于现在接收方缓存只剩下一个字节大小的空间，于是发送方此时只发送了一个字母h，就会等待被确认。然后又分别发送了e，l，l，o数据，但是发送方会把e，l，l，o这几个数据组装成一个较大的报文（ello），等待接收方的缓存腾出足够的空间再一起发送出去。

  而nagle算法的巧妙之处在于，它权衡适应了发送方进程产生数据的速率和网络处理数据的速率。如果发送方进程产生数据的速率比网络处理数据的速率要快，那么组装成的最大报文长度就更大，否则就更小一些。

图2-nagle算法应用场景

  如上图所示，一般来说，同处于同一局域网络下（192.168.0.0是局域网段）的两台主机R1和R2之间通信，时延一般是在10ms左右的（如果超过10ms，则说明当前局域网络的流量是有问题的），因为网络环境相对来说是比较稳定的，时延也比较短。因此在局域网下两台主机间通信很少使用nagle算法。

4. nagle算法实验

  一般tcp默认是开启nagle算法的，下面我们通过一个实验来验证下，这个实验的要求是：R1每次给R2发送一个字母x，总共发送5次，然后我们通过wireshark抓包工具把R1和R2之间交互的数据包抓取下来并分析，看是否使用了nagle算法。

图3-nagle算法实验

  在图3中，216，217，218这三个数据包是R1和R2建立tcp连接的过程，236是R1发送的第一个数据包，从数据部分来看，236只发送了一个字节数据。然后237是对236的确认包，如果236没有被确认此时不能发送其他小分组（因为nagle算法规定：如果已经发送了一个小分组，在这个小分组被确认前，是不能发送其他小分组）。

图4-nagle算法实验

  在这个过程中，可以收集其他4个小分组然后装成一个较大的分组再一起发送出去，通过下图可以发现，R1把4个小分组装成一个大的分组（即238报文）发送出去了。

5. 关闭nagle算法

图5-关闭nagle算法

  当我们关闭nagle算法的时候，R1每发一个字节数据，就会封装成一个报文发送出去，在关闭nagle算法情况下，网络流量的利用率是非常低的，导致tcp的性能大大降低了。而启动nagle算法的情况下，在任一时刻也只能有一个包在传输，在这个包被确认前不能发送其他包，这样就减少了较小的包数目，提高了tcp通信的性能。

   有一点需要明白，无论是关闭还是开启nagle算法，并没有绝对的好坏，这只是相对的。比如在某些情况下nagle算法就不适合，比较典型的就是要求时延尽量小的应用，比如在网络游戏中，人物的动作需要及时的传输以确保不会影响玩家的的体验。


   一般nagle算法默认是开启的，如果不想使用的话可以在socket编程中可以使用TCP_NODELAY选项来关闭Nagle算法。

对应的实验具体参考自：
https://blog.csdn.net/q1007729991/article/details/70053346