TCP吞吐性能优化的吐槽与拯救

上周文章转发朋友圈后，我补充了个评论，我不晓得为什么RDMA底层传输协议还在复用TCP那一套，只是为了重用而重用吗？完全可以重写的协议还在GBN，还在将SACK作为GBN的优化，沿着老路重走一遍…请用QUIC吧，但这话不能对RDMA说，它用不了QUIC，转念一想，广域网传输也不是非用QUIC替代TCP，剥离导致TCP性能缺陷的因素，学着QUIC的样子改掉它，依然留着TCP的躯壳，作为TCP-ng，岂不是鸠占鹊巢更美妙？抛砖引玉，写下本文。

TCP吞吐性能已经经不住优化了，因为它的固有缺陷来自于它的原始设计。

TCP术语太多，滑动窗口，慢启动，拥塞避免，快速重传，快速恢复，超时重传，几乎任何资料都不可避免地以上述术语为线索，TCP的复杂性，无论是协议还是实现，均来自于此。

如此复杂的协议，竟然仅仅可用(幸亏AIMD也能让它收敛)，毫无效率可言，够了！

最初的设计中，TCP只有积累确认，为让TCP滑动窗口持续滑动，必须以dupACK识别丢包，然后GBN(go-back-N)，其中N指示重传的数量，这是一个简洁的设计，但低效。TCP原始设计的状态机为：
​
以Linux TCP实现为例，关于这个状态机的各状态描述如下：

/* Linux NewReno/SACK/ECN state machine. 
 * -------------------------------------- 
 * 
 * "Open"       Normal state, no dubious events, fast path. 
 * "Disorder"   In all the respects it is "Open", 
 *              but requires a bit more attention. It is entered when 
 *              we see some SACKs or dupacks. It is split of "Open" 
 *              mainly to move some processing from fast path to slow one. 
 * "CWR"        CWND was reduced due to some Congestion Notification event. 
 *              It can be ECN, ICMP source quench, local device congestion. 
 * "Recovery"   CWND was reduced, we are fast-retransmitting. 
 * "Loss"       CWND was reduced due to RTO timeout or SACK reneging. 
 ... 
 */ 

自SACK被引入直到RACK/BBR，围绕TCP原始设计的优化终于再也无法满足需求，并越来越成为吞吐性能提升的障碍。成为性能提升阻碍的原因不外乎：

• 状态机依然根据原始设计转换，在非Open状态接管拥塞控制算法。

是时候拿掉这个状态机了，就像赶走牵引蒸汽机的马匹一样。

为此需要设计一个新协议。但evolution比revolution更容易被接受。新协议不是QUIC，而是TCP-ng。重用TCP协议头是它的最大特征。

大致介绍一下TCP-ng对TCP做了哪些扩展以及如何做的。

首先，将TCP协议中不合时宜的机制剥离，如果不晓得哪些是不合时宜的，看看QUIC的方式：

• 收端不再支持reneging，内存已不再是瓶颈，手机内存动辄10G+。
• SACK段数量不再受限，带宽已足够，不必再压缩协议头空间。
• end-to-end越来越普遍得使用TLV而不再青睐定长的短协议头。

以上措施之外，需要增加的新机制：

• 以发送顺序而不是序列号标识传输，分离end-to-end和传输逻辑。
• 完备的不依赖TCP拥塞状态机的拥塞控制算法。

综上，TCP-ng需要做的是：

• 取消reneging。QUIC不允许reneging。
• 完全的SACK。QUIC即完全SACK。
• 独立的传输。QUIC中的packet ID
• 解放拥塞控制算法。

幸运的是，以Linux TCP为例，需要修改的地方非常少，分别来看就是：

• 收端和发端删除reneging相关的代码。
• 收端将所有SACK段放入payload。发端用payload解析出的SACK段扫描retrans rbtree。
• 发送端实现完整的RACK，发送时不区分new data和retrans。
• 取消拥塞状态机，cc算法根据采集带宽来自己决策。

取消reneging的风险是，乱序太多或RTT太抖动的弱网环境，收端内存占用会很大，空洞长时间无法填补，严重情况下会出现类DDoS症状。

取消拥塞状态机，TCP的复杂性就砍掉了大部分，背后的思想很简单：

• 拥塞一定会带来测量吞吐及RTT的变化，与丢包无关。
• 丢包一定可以靠RACK重传恢复。如下图：
  

Linux TCP实现了RACK之后，其实已经很完美了，启用RACK后，完全依赖RACK来mark lost，而不再使用oneshot的tcp_update_scoreboard，这表明Linux RACK-Based TCP已经完全基于时间序发包了，此前的scoreboard已经成了历史。

核心问题SACK段数量受限以及时间序发送问题已经解决，TCP-ng便得以快速滑动窗口，HoL得到极大缓解，剩下的就是细枝末节了。

TCP-ng的不足是，ACK依然无法和transmit相对应，造成DSACK误判，undo效率降低。
以Linux TCP实现为例，当前的undo操作依赖于：

tp->undo_retrans == 0 

该字段在收到DSACK时递减。由于无法区分一次重传报文带来的DSACK还是两次重传中其中一次带来的DSACK，有可能会造成undo失败并影响重传效率：

• 进入重传状态后，只要之前有丢失的重传依然未决，本次undo就会失败。
• retrans_out占据inflight份额，重传窗口无法张开。

好在packets_out是准的，下一轮packets_out清零之时可顺便清除retrans_out，但迟到的DSACK会带来warning。所以我建议在RTO时无条件清除retrans_out。

彻底解决这个问题需要增加类似QUIC的packet id字段。为此，TCP-ng2我这么建议：

• 将SACK option分裂为3个type：type1为packet number(8字节，必选); type2为SACK(in payload)；type3为stream ID（4字节，可优化接收负载均衡，或自研网卡优化RSS）
• ACK中SACK段格式为begin data-seq:begin packet-seq~end data-seq:end packet-seq的映射段，用于发端检测并对应DSACK。
• data seq和packet seq全部采用字节单位，不影响TSO/GSO，GRO/LRO等offload机制的运行。

undo只是降低一些重传率，对整体的带宽利用率提高影响有限，且机制复杂，为了不引入更多复杂性从而引发额外问题，不建议实现undo。

…

TCP-ng重用TCP协议头及其大多数原有处理逻辑，其原因是：

• 主观原因：我太懒惰且编程水平太差，重写一个新协议虽好看但beyond my ability。
• 客观原因：TCP-ng兼容性极好。

TCP有诸多缺陷，设计一个针对性弥补这些缺陷的新协议并不是一件很难的事，但在工程和生态视角，将新协议部署落地就太难了，一个很简单的例子就是IPv6。

IPv4的问题众所周知，IPv6逐一针对性解决，可是IPv6的部署之路却很艰难。

与之类似，QUIC也一样。

妇孺皆知的是QUIC对状态防火墙不友好。何止状态防火墙，QUIC对所有途径的运营商设备都不友好：

• UDP没有状态机，设备无法跟踪连接，便无法精确实施ACL，计费等关键动作。
• QUIC over UDP，作为应用层协议迄今没有统一标准，且变化多端，设备商的固化升级成本太高。
• QUIC协议并非没有生态，而是各大厂商自立门户，生态太多，无法协调。
• QUIC用户态的cc算法很容易被不懂拥塞控制为何物的人乱搞，严重破坏互联网公平。

…

所以，我选择不修改TCP协议头的方式，所有的设备还是和原来一样运作，新协议完全透明经过。再也没有人说新协议不友好了。

下面是我之前写的一篇欺骗网络设备的内核插件，它可以将UDP假装成TCP：https://github.com/marywangran/pseudotcp-tunnel

最后，演示一个扩展TCP协议的实际例子。

当前主机性能相比1980年代已经大幅提升，进程容量大大增加，为提升主机搜索可用端口号的效率(connect/bind中的逻辑)，需要扩展TCP端口号位宽。下面介绍如何不改变TCP协议头而将端口号扩展成24位：

• 新端口号的低16位用TCP协议头中的端口号字段表示。
• 新端口号的高8位用TCP协议头中2个新的8位自定义option表示。
• 发送端自行拼接端口号组装数据包。
• 接收端解封装端口号多路复用。

浙江温州皮鞋湿，下雨进水不会胖。