TCP传输小数据包效率问题

TCP传输小数据包效率问题(译自MSDN）

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摘要：当使用TCP传输小型数据包时，程序的设计是相当重要的。如果在设计方案中不对TCP数据包的
延迟应答，Nagle算法，Winsock缓冲作用引起重视，将会严重影响程序的性能。这篇文章讨论了这些
问题，列举了两个案例，给出了一些传输小数据包的优化设计方案。

背景：当Microsoft TCP栈接收到一个数据包时，会启动一个200毫秒的计时器。当ACK确认数据包
发出之后，计时器会复位，接收到下一个数据包时，会再次启动200毫秒的计时器。为了提升应用程序
在内部网和Internet上的传输性能，Microsoft TCP栈使用了下面的策略来决定在接收到数据包后
什么时候发送ACK确认数据包：
1、如果在200毫秒的计时器超时之前，接收到下一个数据包，则立即发送ACK确认数据包。
2、如果当前恰好有数据包需要发给ACK确认信息的接收端，则把ACK确认信息附带在数据包上立即发送。
3、当计时器超时，ACK确认信息立即发送。
为了避免小数据包拥塞网络，Microsoft TCP栈默认启用了Nagle算法，这个算法能够将应用程序多次
调用Send发送的数据拼接起来，当收到前一个数据包的ACK确认信息时，一起发送出去。下面是Nagle
算法的例外情况：
1、如果Microsoft TCP栈拼接起来的数据包超过了MTU值，这个数据会立即发送，而不等待前一个数据
包的ACK确认信息。在以太网中，TCP的MTU(Maximum Transmission Unit)值是1460字节。
2、如果设置了TCP_NODELAY选项，就会禁用Nagle算法，应用程序调用Send发送的数据包会立即被
投递到网络，而没有延迟。
为了在应用层优化性能，Winsock把应用程序调用Send发送的数据从应用程序的缓冲区复制到Winsock
内核缓冲区。Microsoft TCP栈利用类似Nagle算法的方法，决定什么时候才实际地把数据投递到网络。
内核缓冲区的默认大小是8K，使用SO_SNDBUF选项，可以改变Winsock内核缓冲区的大小。如果有必要的话，
Winsock能缓冲大于SO_SNDBUF缓冲区大小的数据。在绝大多数情况下，应用程序完成Send调用仅仅表明数据
被复制到了Winsock内核缓冲区，并不能说明数据就实际地被投递到了网络上。唯一一种例外的情况是：
通过设置SO_SNDBUT为0禁用了Winsock内核缓冲区。

Winsock使用下面的规则来向应用程序表明一个Send调用的完成：
1、如果socket仍然在SO_SNDBUF限额内，Winsock复制应用程序要发送的数据到内核缓冲区，完成Send调用。
2、如果Socket超过了SO_SNDBUF限额并且先前只有一个被缓冲的发送数据在内核缓冲区，Winsock复制要发送
的数据到内核缓冲区，完成Send调用。
3、如果Socket超过了SO_SNDBUF限额并且内核缓冲区有不只一个被缓冲的发送数据，Winsock复制要发送的数据
到内核缓冲区，然后投递数据到网络，直到Socket降到SO_SNDBUF限额内或者只剩余一个要发送的数据，才
完成Send调用。

案例1
一个Winsock TCP客户端需要发送10000个记录到Winsock TCP服务端，保存到数据库。记录大小从20字节到100
字节不等。对于简单的应用程序逻辑，可能的设计方案如下：
1、客户端以阻塞方式发送，服务端以阻塞方式接收。
2、客户端设置SO_SNDBUF为0，禁用Nagle算法，让每个数据包单独的发送。
3、服务端在一个循环中调用Recv接收数据包。给Recv传递200字节的缓冲区以便让每个记录在一次Recv调用中
被获取到。

性能：
在测试中发现，客户端每秒只能发送5条数据到服务段，总共10000条记录，976K字节左右，用了半个多小时
才全部传到服务器。

分析：
因为客户端没有设置TCP_NODELAY选项，Nagle算法强制TCP栈在发送数据包之前等待前一个数据包的ACK确认
信息。然而，客户端设置SO_SNDBUF为0，禁用了内核缓冲区。因此，10000个Send调用只能一个数据包一个数据
包的发送和确认，由于下列原因，每个ACK确认信息被延迟200毫秒：
1、当服务器获取到一个数据包，启动一个200毫秒的计时器。
2、服务端不需要向客户端发送任何数据，所以，ACK确认信息不能被发回的数据包顺路携带。
3、客户端在没有收到前一个数据包的确认信息前，不能发送数据包。
4、服务端的计时器超时后，ACK确认信息被发送到客户端。

如何提高性能：
在这个设计中存在两个问题。第一，存在延时问题。客户端需要能够在200毫秒内发送两个数据包到服务端。
因为客户端默认情况下使用Nagle算法，应该使用默认的内核缓冲区，不应该设置SO_SNDBUF为0。一旦TCP
栈拼接起来的数据包超过MTU值，这个数据包会立即被发送，不用等待前一个ACK确认信息。第二，这个设计
方案对每一个如此小的的数据包都调用一次Send。发送这么小的数据包是不很有效率的。在这种情况下，应该
把每个记录补充到100字节并且每次调用Send发送80个记录。为了让服务端知道一次总共发送了多少个记录，
客户端可以在记录前面带一个头信息。

案例二：
一个Winsock TCP客户端程序打开两个连接和一个提供股票报价服务的Winsock TCP服务端通信。第一个连接
作为命令通道用来传输股票编号到服务端。第二个连接作为数据通道用来接收股票报价。两个连接被建立后，
客户端通过命令通道发送股票编号到服务端，然后在数据通道上等待返回的股票报价信息。客户端在接收到第一
个股票报价信息后发送下一个股票编号请求到服务端。客户端和服务端都没有设置SO_SNDBUF和TCP_NODELAY
选项。

性能：
测试中发现，客户端每秒只能获取到5条报价信息。

分析：

这个设计方案一次只允许获取一条股票信息。第一个股票编号信息通过命令通道发送到服务端，立即接收到
服务端通过数据通道返回的股票报价信息。然后，客户端立即发送第二条请求信息，send调用立即返回，
发送的数据被复制到内核缓冲区。然而，TCP栈不能立即投递这个数据包到网络，因为没有收到前一个数据包的
ACK确认信息。200毫秒后，服务端的计时器超时，第一个请求数据包的ACK确认信息被发送回客户端，客户端
的第二个请求包才被投递到网络。第二个请求的报价信息立即从数据通道返回到客户端，因为此时，客户端的
计时器已经超时，第一个报价信息的ACK确认信息已经被发送到服务端。这个过程循环发生。

如何提高性能：
在这里，两个连接的设计是没有必要的。如果使用一个连接来请求和接收报价信息，股票请求的ACK确认信息会
被返回的报价信息立即顺路携带回来。要进一步的提高性能，客户端应该一次调用Send发送多个股票请求，服务端
一次返回多个报价信息。如果由于某些特殊原因必须要使用两个单向的连接，客户端和服务端都应该设置TCP_NODELAY
选项，让小数据包立即发送而不用等待前一个数据包的ACK确认信息。

提高性能的建议：
上面两个案例说明了一些最坏的情况。当设计一个方案解决大量的小数据包发送和接收时，应该遵循以下的建议：
1、如果数据片段不需要紧急传输的话，应用程序应该将他们拼接成更大的数据块，再调用Send。因为发送缓冲区
很可能被复制到内核缓冲区，所以缓冲区不应该太大，通常比8K小一点点是很有效率的。只要Winsock内核缓冲区
得到一个大于MTU值的数据块，就会发送若干个数据包，剩下最后一个数据包。发送方除了最后一个数据包，都不会
被200毫秒的计时器触发。
2、如果可能的话，避免单向的Socket数据流接连。
3、不要设置SO_SNDBUF为0，除非想确保数据包在调用Send完成之后立即被投递到网络。事实上，8K的缓冲区适合大多数
情况，不需要重新改变，除非新设置的缓冲区经过测试的确比默认大小更高效。
4、如果数据传输不用保证可靠性，使用UDP。