3.3、对TCP性能的考虑

HTTP 紧挨着 TCP，位于其上层，所以 HTTP 事务的性能在很大程度上取决于底层 TCP 通道的性能。

3.3.1、HTTP事务的时延

下图是串行HTTP事务的时间线，可以看到处理时间是比其他时间都短的，除非客户端或服务器超载，或正在处理复杂的动态资源， 否则 HTTP 时延就是由 TCP 网络时延构成的。

TCP时延

导致时延的主要原因：

  • DNS查询可能要花数十秒的时间。不过大部分HTTP 客户端都有一个小的 DNS 缓存，用来保存近期所访问站点的 IP 地址，这样子查询就可以立即完成。
  • 每条新的TCP连接时延，通常最多只有一两秒钟。但是有数百个HTTP事务则会增加时延了。
  • 传输报文、处理报文的时间。

TCP 网络时延的大小取决于硬件速度、网络和服务器的负载，请求和响应报文 的尺寸，以及客户端和服务器之间的距离，TCP 协议的技术复杂性。

3.3.2、性能聚焦

最常见的TCP相关时延：

  • TCP 连接建立握手;
  • 用于捎带确认的TCP延迟确认算法;
  • TCP慢启动拥塞控制;
  • 数据聚集的Nagle算法;
  • TIME_WAIT时延和端口耗尽。
(1) TCP连接的握手时延

小的HTTP事务可能会在TCP建立上花费 50%，或更多的时间。

握手步骤：

  • 请求新TCP连接时，发送一个40~60字节的TCP分组，分组中的SYN标记说明是请求连接。如下图的(a)步骤。
  • 服务器接收连接，计算连接参数，回送TCP分组，分组中SYN和ACK说明已接受请求。如下图的（b）步骤。
  • 客户端回送确认信息，通知成功建立，此信息可发送数据。如下图的（c）步骤。

握手时延

(2) 延迟确认

每个 TCP 段都有一个序列号和数据完整性校验和。

每个段的接收者收到完好的段 时，都会向发送者回送小的确认报文，TCP 允许在发往相同方向的输出数据分组中对其进行“捎 带”确认报文，更有效利用网络。

如果发送者没有在指定的窗口时间内收到确 认信息，发送者就认为分组已被破坏或损毁，并重发数据。

为了增加确认报文找到同向传输数据分组的可能性，很多 TCP 栈都实现了一种 “延迟确认”算法。 延迟确认算法会在一个特定的窗口时间(通常是 100 ~ 200 毫 秒)内将输出确认存放在缓冲区中，以寻找能够捎带它的输出数据分组，寻找不了且超出时间则单独发送。

HTTP 具有双峰特征的请求 - 应答行为降低了捎带信息的可能，因此延迟确认算法会引入相当大的时 延。根据所使用操作系统的不同，可以调整或禁止延迟确认算法。

(3) TCP慢启动

TCP数据传输的性能还取决于 TCP 连接的使用期(age)。TCP 连接起初会限制连接的最大速度，如果数据成功传输，随着时间的推移提高传输的速度，这被称为TCP慢启动(slow start)，用于防止因特网的突然过载和拥塞。

TCP 慢启动限制了一个 TCP 端点在任意时刻可以传输的分组数。

(4) Nagle算法与TCP_NODELAY

Nagle算法试图在发送一个分组之前，将大量 TCP数据绑定在一起，防止发送大量单字节分组的行为（发送端傻窗口综合症），以提高网络效率。 Nagle 算法鼓励发送全尺寸（LAN 上最大尺寸的分组大约是 1500 字节，因特网几百字节）的段。如果其他分组仍然在传输过程中，就将非全尺寸的数据缓存起来。只有当挂起分组被确认，或者缓存中积累了足够发送一个全尺寸分组的数据时，才会将缓存的数据发送出去。

Nagle 算法会引发几种 HTTP 性能问题：

  • 小的 HTTP 报文可能无法填满一个分组，可能会因为等待那些永远不会到来的额外数据而产生时延。
  • Nagle 算 法与延迟确认之间的交互存在问题：Nagle 算法会阻止数据的发送，直到有确认分组抵达为止，但确认分组自身会被延迟确认算法延迟 100 ~ 200 毫秒。

设置参数 TCP_NODELAY，禁用 Nagle 算法，提高性能，但是一定要确保向 TCP 写入大块的数据，这样才不会产生一堆小分组。

(5) TIME_WAIT累积与端口耗尽

当某个 TCP 端点关闭 TCP 连接时，会在内存中维护一个小的控制块，用来记录最 近所关闭连接的 IP 地址和端口号。这类信息维持的时间通常是最大分段使用期的两倍（称为 2MSL，通常为 2 分钟左右），防止在两分钟内 创建、关闭并重新创建两个具有相同 IP 地址和端口号的连接。

进行性能基准测试时，通常只有一台或几台用来产生流量的计算机连接到某 系统中去，这样就限制了连接到服务器的客户端 IP 地址数。用 TIME_W AIT 防止端口号重用时，这些 情况也限制了可用的连接值组合。

因为TCP 连接是由 4 个值来唯一定义一条连接的：< 源 IP 地址、源端口号、目的 IP 地址、目的端口号 > 源IP和端口号减少，其他不变的话，则导致TCP连接减少。

即使没有遇到端口耗尽问题，也要特别小心在有大量打开连接或控制块的情况 下，有些操作系统的速度会严重减缓。