利用TCP/IP選項(xiàng)優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸

減少網(wǎng)絡(luò)流量當(dāng)然是非常重要的優(yōu)化舉措之一，不過(guò)這種手段也僅僅是實(shí)現(xiàn)高性能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的一個(gè)方面。其他TCP選項(xiàng)也可能顯著提供傳輸性能同時(shí)在某些條件下減少服務(wù)器的響應(yīng)時(shí)間延遲。下面就讓我們來(lái)了解一些此類選項(xiàng)。

　　TCP_DEFER_ACCEPT

　　我們首先考慮的第1個(gè)選項(xiàng)是TCP_DEFER_ACCEPT（這是Linux系統(tǒng)上的叫法，其他一些操作系統(tǒng)上也有同樣的選項(xiàng)但使用不同的名字）。為了理解TCP_DEFER_ACCEPT選項(xiàng)的具體思想，我們有必要大致闡述一下典型的HTTP客戶/服務(wù)器交互過(guò)程。請(qǐng)回想下TCP是如何與傳輸數(shù)據(jù)的目標(biāo)建立連接的。在網(wǎng)絡(luò)上，在分離的單元之間傳輸?shù)男畔⒎Q為IP包（或IP 數(shù)據(jù)報(bào)）。一個(gè)包總有一個(gè)攜帶服務(wù)信息的包頭，包頭用于內(nèi)部協(xié)議的處理，并且它也可以攜帶數(shù)據(jù)負(fù)載。服務(wù)信息的典型例子就是一套所謂的標(biāo)志，它把包標(biāo)記代表TCP/IP協(xié)議棧內(nèi)的特殊含義，例如收到包的成功確認(rèn)等等。通常，在經(jīng)過(guò)“標(biāo)記”的包里攜帶負(fù)載是完全可能的，但有時(shí)，內(nèi)部邏輯迫使TCP/IP協(xié)議棧發(fā)出只有包頭的IP包。這些包經(jīng)常會(huì)引發(fā)討厭的網(wǎng)絡(luò)延遲而且還增加了系統(tǒng)的負(fù)載，結(jié)果導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能在整體上降低。

　　現(xiàn)在服務(wù)器創(chuàng)建了一個(gè)套接字同時(shí)等待連接。TCP/IP式的連接過(guò)程就是所謂“3次握手”。首先，客戶程序發(fā)送一個(gè)設(shè)置SYN標(biāo)志而且不帶數(shù)據(jù)負(fù)載的TCP包（一個(gè)SYN包）。服務(wù)器則以發(fā)出帶SYN/ACK標(biāo)志的數(shù)據(jù)包（一個(gè)SYN/ACK包）作為剛才收到包的確認(rèn)響應(yīng)?？蛻綦S后發(fā)送一個(gè)ACK包確認(rèn)收到了第2個(gè)包從而結(jié)束連接過(guò)程。在收到客戶發(fā)來(lái)的這個(gè)ACK包之后，服務(wù)器會(huì)喚醒一個(gè)接收進(jìn)程等待數(shù)據(jù)到達(dá)。當(dāng)3次握手完成后，客戶程序即開(kāi)始把“有用的”的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。通常，一個(gè)HTTP請(qǐng)求的量是很小的而且完全可以裝到一個(gè)包里。但是，在以上的情況下，至少有4個(gè)包將用來(lái)進(jìn)行雙向傳輸，這樣就增加了可觀的延遲時(shí)間。此外，你還得注意到，在“有用的”數(shù)據(jù)被發(fā)送之前，接收方已經(jīng)開(kāi)始在等待信息了。

　　為了減輕這些問(wèn)題所帶來(lái)的影響，Linux（以及其他的一些操作系統(tǒng)）在其TCP實(shí)現(xiàn)中包括了TCP_DEFER_ACCEPT選項(xiàng)。它們?cè)O(shè)置在偵聽(tīng)套接字的服務(wù)器方，該選項(xiàng)命令內(nèi)核不等待最后的ACK包而且在第1個(gè)真正有數(shù)據(jù)的包到達(dá)才初始化偵聽(tīng)進(jìn)程。在發(fā)送SYN/ACK包之后，服務(wù)器就會(huì)等待客戶程序發(fā)送含數(shù)據(jù)的IP包?，F(xiàn)在，只需要在網(wǎng)絡(luò)上傳送3個(gè)包了，而且還顯著降低了連接建立的延遲，對(duì)HTTP通信而言尤其如此。這一選項(xiàng)在好些操作系統(tǒng)上都有相應(yīng)的對(duì)等物。例如，在FreeBSD上，同樣的行為可以用以下代碼實(shí)現(xiàn)：

　　/* 為明晰起見(jiàn)，此處略去無(wú)關(guān)代碼 */

　　struct accept_filter_arg af = { dataready, };

　　setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_ACCEPTFILTER, af, sizeof(af));

　　這個(gè)特征在FreeBSD上叫做“接受過(guò)濾器”，而且具有多種用法。不過(guò)，在幾乎所有的情況下其效果與TCP_DEFER_ACCEPT是一樣的：服務(wù)器不等待最后的ACK包而僅僅等待攜帶數(shù)據(jù)負(fù)載的包。要了解該選項(xiàng)及其對(duì)高性能Web服務(wù)器的重要意義的更多信息請(qǐng)參考Apache文檔上的有關(guān)內(nèi)容。

　　就HTTP客戶/服務(wù)器交互而言，有可能需要改變客戶程序的行為?？蛻舫绦?yàn)槭裁匆l(fā)送這種“無(wú)用的”ACK包呢？這是因?yàn)?，TCP協(xié)議棧無(wú)法知道ACK包的狀態(tài)。如果采用FTP而非HTTP，那么客戶程序直到接收了FTP服務(wù)器提示的數(shù)據(jù)包之后才發(fā)送數(shù)據(jù)。在這種情況下，延遲的ACK將導(dǎo)致客戶/服務(wù)器交互出現(xiàn)延遲。為了確定ACK是否必要，客戶程序必須知道應(yīng)用程序協(xié)議及其當(dāng)前狀態(tài)。這樣，修改客戶行為就成為必要了。

　　對(duì)Linux客戶程序來(lái)說(shuō)，我們還可以采用另一個(gè)選項(xiàng)，它也被叫做TCP_DEFER_ACCEPT。我們知道，套接字分成兩種類型，偵聽(tīng)套接字和連接套接字，所以它們也各自具有相應(yīng)的TCP選項(xiàng)集合。因此，經(jīng)常同時(shí)采用的這兩類選項(xiàng)卻具有同樣的名字也是完全可能的。在連接套接字上設(shè)置該選項(xiàng)以后，客戶在收到一個(gè)

　　SYN/ACK包之后就不再發(fā)送ACK包，而是等待用戶程序的下一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求；因此，服務(wù)器發(fā)送的包也就相應(yīng)減少了。

　　TCP_QUICKACK

　　阻止因發(fā)送無(wú)用包而引發(fā)延遲的另一個(gè)方法是使用TCP_QUICKACK選項(xiàng)。這一選項(xiàng)與 CP_DEFER_ACCEPT不同，它不但能用作管理連接建立過(guò)程而且在正常數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程期間也可以使用。另外，它能在客戶/服務(wù)器連接的任何一方設(shè)置。如果知道數(shù)據(jù)不久即將發(fā)送，那么推遲ACK包的發(fā)送就會(huì)派上用場(chǎng)，而且最好在那個(gè)攜帶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包上設(shè)置ACK 標(biāo)志以便把網(wǎng)絡(luò)負(fù)載減到最小。當(dāng)發(fā)送方肯定數(shù)據(jù)將被立即發(fā)送（多個(gè)包）時(shí)，TCP_QUICKACK選項(xiàng)可以設(shè)置為0。對(duì)處于“連接”狀態(tài)下的套接字該選項(xiàng)的缺省值是1，首次使用以后內(nèi)核將把該選項(xiàng)立即復(fù)位為1（這是個(gè)一次性的選項(xiàng)）。

　　在某些情形下，發(fā)出ACK包則非常有用。ACK包將確認(rèn)數(shù)據(jù)塊的接收，而且，當(dāng)下一塊被處理時(shí)不至于引入延遲。這種數(shù)據(jù)傳輸模式對(duì)交互過(guò)程是相當(dāng)?shù)湫偷?，因?yàn)榇祟惽闆r下用戶的輸入時(shí)刻無(wú)法預(yù)測(cè)。在Linux系統(tǒng)上這就是缺省的套接字行為。在上述情況下，客戶程序在向服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求，而預(yù)先就知

　　道請(qǐng)求包很短所以在連接建立之后就應(yīng)該立即發(fā)送，這可謂HTTP的典型工作方式。既然沒(méi)有必要發(fā)送一個(gè)純粹的ACK包，所以設(shè)置TCP_QUICKACK為0以提高性能是完全可能的。在服務(wù)器方，這兩種選項(xiàng)都只能在偵聽(tīng)套接字上設(shè)置一次。所有的套接字，也就是被接受呼叫間接創(chuàng)建的套接字則會(huì)繼承原有套接字的所有選項(xiàng)。

　　通過(guò)TCP_CORK、TCP_DEFER_ACCEPT和TCP_QUICKACK選項(xiàng)的組合，參與每一HTTP交互的數(shù)據(jù)包數(shù)量將被降低到最小的可接受水平（根據(jù)TCP協(xié)議的要求和安全方面的考慮）。結(jié)果不僅是獲得更快的數(shù)據(jù)傳輸和請(qǐng)求處理速度而且還使客戶/服務(wù)器雙向延遲實(shí)現(xiàn)了最小化。

　　小結(jié)

　　網(wǎng)絡(luò)程序的性能優(yōu)化顯然是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。優(yōu)化技術(shù)包括：盡可能使用零拷貝、用TCP_CORK及其等價(jià)選項(xiàng)組裝適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)包、把傳輸數(shù)據(jù)包的數(shù)量最小化以及延遲優(yōu)化等。為了提升網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)的性能和可伸縮性，有必要在程序代碼中聯(lián)合一致地采用以上各種可用方法。當(dāng)然，清楚了解TCP/IP協(xié)議棧和操作系統(tǒng)的內(nèi)部工作原理也是必要的

發(fā)布者：博子