Web 性能优化 - TCP

原文：https://jkchao.cn/article/5a2...

TCP 负责在不可靠的传输信道之上提供可靠的抽象层，向应用层隐藏了大多数网络通信的复杂性能，比如丢包重发、按需发送、拥塞控制及避免、数据完整，等等。采用 TCP 数据流可以确保发送的所有字节能够完整地被接收到，而且客户端的顺序也一样。

但是 TCP 设计并未过多顾及时间，由此给浏览器 Web 性能带来了挑战。

三次握手

所有 TCP 连接一开始都必须经过三次握手。客户端与服务器在交换应用数据之前，必须就起始分组序列号，以及其他一些连接相关的细节达成一致。处于安全考虑，序列号由两端随机生成。

• SYN

  客户端选择一个随机序列号 x，并发送一个 SYN 分组，其中可能还包含 TCP 标志和选项。

• SYN ACK

  服务器给 x 加 1，并选择自己的一个随机序列号 y，追加自己的标志和选项，然后返回响应。

• ACK

  客户端给 x 和 y 加 1，并发送握手期间的最后一个 ACK 分组。

客户端可以在发送 ACK 分组之后立即发送数据，而服务器必须等接收到 ACK 分组之后发送数据。

每个 TCP 连接都要经过三次握手，倘若客户端与服务器距离过长，会造成非常大的性能影响。因而，提升 TCP 性能关键在于想办法重用连接。

为解决这个问题，人们在积极寻找各种方案，其中长链接（Keep-Alive）、负载均衡、TFO(tcp fast open)便是其中的一些解决办法。

长链接

Keep-Alive，HTTP 1.1 之后默认开启，指在一个 TCP 连接中可以持续发送多份数据而不会断开连接。

负载均衡

基本原理：客户端（如：ClientA）与负载均衡设备之间进行三次握手并发送 HTTP 请求。负载均衡设备收到请求后，会检测服务器是否存在空闲的长链接，如果不存在，服务器将建立一个新连接。当 HTTP 请求响应完成后，客户端与负载均衡设备协商关闭连接，而负载均衡则保持与服务器之间的这个连接。当有其他客户端（如：ClientB）需要发送 HTTP 请求时，负载均衡设备会直接向服务器之间保持的这个空闲连接发送 HTTP 请求，避免来由于新建 TCP 连接造成的延时和服务器资源耗费。

TFO(tcp fast open)

尽管开启了长链接，可是依然有35%的请求是重新发起一条连接，而握手会造成一定的延迟，TFO 的目标就是为了去除这个延迟，在三次握手期间也能交换数据。

基本原理：

• 客户端发送 SYN 包，包尾加一个 FOC 请求，只有4个字节。
• 服务端收到 FOC 请求，验证后根据来源 ip 地址生成 Cookie（8个字节），将这个 cookie 加载到 SYN + ACK 包的末尾，发送至客户端。
• 客户端缓存获取到的 Cookie 可以给下一次使用。
• 下一次请求开始，客户端发送 SYN 包，这时候后面带上缓存的 Cookie，然后就开始正式发送数据。
• 服务器验证 Cookie 正确，将数据交给上层应用处理得到相应结果，然后在发送 SYN + ACK，不再等待客户端的 ACK 确认，即开始发送相应数据。

网络拥塞

拥塞：即对供不应求，对资源的需求超过了可用的资源，网络性能下降，整个网络的吞吐量随之负荷的增大而减小，甚至会发生拥塞崩溃的现象。

为了减缓网络拥塞现象，TCP 加入许多机制用来控制双向发送数据的速度。如流量监控、拥塞控制、拥塞预防机制等。

流量控制

流量控制是一种预防发送端过多向接收端发送数据的机制。

滑动窗口是实现流量控制的一种方法，一个简单例子：

设 A 向 B 发送数据。在建立连接时，B 告诉了 A：“我的接收窗口值 rwnd = 400“ （rwnd: receiver window），因此，发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口的数值。TCP 窗口的单位时字节，并不是报文段。设每个报文段的字节长 100，而数据报文段序号的初始值为 1，大写 ACK 表示首部中的确认位 ACK，小写 ack 表示确认字段的值 ack。

从图中可以看出，B 进行了三次流量控制。第一次把窗口减少到 rwnd = 300，第二次又减少到了 rwnd = 100，最后减到 rwnd = 0，即不允许发送数据了。

当 rwnd = 0 时，则意味着必须由应用层先清空缓存区，才能接收剩余数据。这个过程贯穿于每个 TCP 连接的整个生命周期：每个 ACK 分组都会携带相应的最新的 rwnd 值，以便两端动态调整数据流，使之适应发送端和接收段的容量及处理能力。

慢启动

尽管流量监控可以防止发送端向接收端过多发送数据，但是发送端和接收端在连接建立之初，并不知道可用带宽是多少，因此需要一个估算机制，然后还可以根据网络中不断变化的条件而动态改变速度。

拥塞控制：防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致于过载。

慢启动是实现拥塞控制的一种方法，此外还有拥塞预防、快速重发和快速恢复。

慢启动，即是在分组被确定以后，增大窗口大小，慢慢启动。

具体实现如下：

• 发送方通过 TCP 连接初始化并维护一个拥塞窗口变量（cwnd）。并规定发送端与接收端之间最大可以传输的数据量为接收窗口（rwnd）与拥塞窗口（rwnd）的最小值。

  cwnd 最初的值只有一个 TCP 段，1999年提升至 4 个 TCP 段，2013年，提升至 10 个 TCP 段。

• 发送端向接受端发送 TCP 段后，停下来，等待确认。
• 此后，每收到一个 ACK，慢启动算法都会告诉发送端，cwnd 窗口增加一个 TCP 段，并可以多发送两个新的分组。这个阶段称为指数增长阶段。

由于慢启动的设计，限制了可用的吞吐量。对于大型流式下载服务的影响倒不显著，但是对于小文件的传输却非常不利，常常会出现还没有达到最大窗口请求就被终止的情况。

简单演示三次握手与慢启动对简单 HTTP 传输的影响。

连接参数：

• 往返事件：56ms。
• 客户端到服务端带宽：5 Mbit/s。
• 客户端和服务端接收窗口：65 535字节。
• 初始的拥塞窗口：4 段（4 x 1460 字节 = 5.7 KB）。
• 服务器生成响应的处理时间：40 ms。
• 没有分组丢失，每个分组都要确认，GET 请求只占 1 段。

• 0 ms：客户端发送 SYN 分组开始 TCP 握手。
• 28 ms：服务端响应 SYN - ACK 并指定其 rwnd 大小。
• 56 ms：客户端确认 SYN - ACK，并指定其 rwnd 大小。并立即发送 HTTP GET 请求。
• 84 ms：服务端接收到 HTTP 请求。
• 124 ms：服务器生成 20 KB 的响应，并发送 4 个 TCP 段（假设初始 cwnd 为 4），然后等待 ACK。
• 152 ms：客户端收到 4 个段，并分别发送 ACK 确认。
• 180 ms：服务器针对每个 ACK 递增 cwnd，然后发送 8 个 TCP 段。
• 208 ms：客户端接收到 8 个段，并分别发送 ACK 确认。
• 236 ms：服务器针对每个 ACK 递增 cwnd，然后发送剩余 TCP 段。
• 264 ms：客户端收到剩余的 TCP 段，并发送 ACK 确认。

当再次发送相同请求时：

• 0 ms：客户端发送 HTTP 请求。
• 28 ms：服务器收到 HTTP 请求。
• 68 ms：服务器生成 20 KB 响应，此时 cwnd 已经大于发送文件所需的 15 段，因此可以一次性发送所有数据段。
• 96 ms：客户端收到所有 15 个段，分别发送 ACK 确认。

拥塞预防

慢启用使用 cwnd 作为起始值发送数据量，随后成倍增长。直到超过接收系统配置的拥塞阈值（ssthresh）窗口，或者发生分组丢失现象，此时拥塞预防算法介入。

由于已经发生拥堵，必须采取删包措施。需要重新调整 cwnd 大小，此后拥塞预防按照自己的算法来增大 cwnd 以避免丢包。若再次丢包，则从头开始。

参考

• TFO
• TCP连接复用
• TCP的流量控制和拥塞控制