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利用TCP/IP选项优化数据传输

更新时间:2015-9-21:  来源:毕业论文

利用TCP/IP选项优化数据传输
我们对TCP_CORK选项如何减少网络传输包的数量做了一番原理性的解释。减少网络流量当然是非常重要的优化举措之一,不过这种手段也仅仅是实现高性能网络数据传输领域的一个方面。其他TCP选项也可能显着提供传输性能同时在某些条件下减少服务器的响应时间延迟。下面就让我们来了解一些此类选项。
  TCP_DEFER_ACCEPT

  我们首先考虑的第1个选项是TCP_DEFER_ACCEPT(这是Linux系统上的叫法,其他一些操作系统上也有同样的选项但使用不同的名字)。为了理解TCP_DEFER_ACCEPT选项的具体思想,我们有必要大致阐述一下典型的HTTP客户/服务器交互过程。请回想下TCP是如何与传输数据的目标建立连接的。在网络上,在分离的单元之间传输的信息称为IP包(或IP 数据报)。一个包总有一个携带服务信息的包头,包头用于内部协议的处理,并且它也可以携带数据负载。服务信息的典型例子就是一套所谓的标志,它把包标记代表TCP/IP协议栈内的特殊含义,例如收到包的成功确认等等。通常,在经过“标记”的包里携带负载是完全可能的,但有时,内部逻辑迫使TCP/IP协议栈发出只有包头的IP包。这些包经常会引发讨厌的网络延迟而且还增加了系统的负载,结果导致网络性能在整体上降低。

  现在服务器创建了一个套接字同时等待连接。TCP/IP式的连接过程就是所谓“3次握手”。首先,客户程序发送一个设置SYN标志而且不带数据负载的TCP包(一个SYN包)。服务器则以发出带SYN/ACK标志的数据包(一个SYN/ACK包)作为刚才收到包的确认响应。客户随后发送一个ACK包确认收到了第2个包从而结束连接过程。在收到客户发来的这个ACK包之后,服务器会唤醒一个接收进程等待数据到达。当3次握手完成后,客户程序即开始把“有用的”的数据发送给服务器。通常,一个HTTP请求的量是很小的而且完全可以装到一个包里。但是,在以上的情况下,至少有4个包将用来进行双向传输,这样就增加了可观的延迟时间。此外,你还得注意到,在“有用的”数据被发送之前,接收方已经开始在等待信息了。

  为了减轻这些问题所带来的影响,Linux(以及其他的一些操作系统)在其TCP实现中包括了TCP_DEFER_ACCEPT选项。它们设置在侦听套接字的服务器方,该选项命令内核不等待最后的ACK包而且在第1个真正有数据的包到达才初始化侦听进程。在发送SYN/ACK包之后,服务器就会等待客户程序发送含数据的IP包。现在,只需要在网络上传送3个包了,而且还显着降低了连接建立的延迟,对HTTP通信而言尤其如此。这一选项在好些操作系统上都有相应的对等物。例如,在FreeBSD上,同样的行为可以用以下代码实现:

  /* 为明晰起见,此处略去无关代码 */

  struct accept_filter_arg af = { "dataready", "" };

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

  这个特征在FreeBSD上叫做“接受过滤器”,而且具有多种用法。不过,在几乎所有的情况下其效果与TCP_DEFER_ACCEPT是一样的:服务器不等待最后的ACK包而仅仅等待携带数据负载的包。要了解该选项及其对高性能Web服务器的重要意义的更多信息请参考Apache文档上的有关内容。

  就HTTP客户/服务器交互而言,有可能需要改变客户程序的行为。客户程序为什么要发送这种“无用的”ACK包呢?这是因为,TCP协议栈无法知道ACK包的状态。如果采用FTP而非HTTP,那么客户程序直到接收了FTP服务器提示的数据包之后才发送数据。在这种情况下,延迟的ACK将导致客户/服务器交互出现延迟。为了确定ACK是否必要,客户程序必须知道应用程序协议及其当前状态。这样,修改客户行为就成为必要了。

  对Linux客户程序来说,我们还可以采用另一个选项,它也被叫做TCP_DEFER_ACCEPT。我们知道,套接字分成两种类型,侦听套接字和连接套接字,所以它们也各自具有相应的TCP选项集合。因此,经常同时采用的这两类选项却具有同样的名字也是完全可能的。在连接套接字上设置该选项以后,客户在收到一个

  SYN/ACK包之后就不再发送ACK包,而是等待用户程序的下一个发送数据请求;因此,服务器发送的包也就相应减少了。

  TCP_QUICKACK

  阻止因发送无用包而引发延迟的另一个方法是使用TCP_QUICKACK选项。这一选项与 CP_DEFER_ACCEPT不同,它不但能用作管理连接建立过程而且在正常数据传输过程期间也可以使用。另外,它能在客户/服务器连接的任何一方设置。如果知道数据不久即将发送,那么推迟ACK包的发送就会派上用场,而且最好在那个携带数据的数据包上设置ACK 标志以便把网络负载减到最小。当发送方肯定数据将被立即发送(多个包)时,TCP_QUICKACK选项可以设置为0。对处于“连接”状态下的套接字该选项的缺省值是1,首次使用以后内核将把该选项立即复位为1(这是个一次性的选项)。http://www.lwfree.cn/

  在某些情形下,发出ACK包则非常有用。ACK包将确认数据块的接收,而且,当下一块被处理时不至于引入延迟。这种数据传输模式对交互过程是相当典型的,因为此类情况下用户的输入时刻无法预测。在Linux系统上这就是缺省的套接字行为。在上述情况下,客户程序在向服务器发送HTTP请求,而预先就知

  道请求包很短所以在连接建立之后就应该立即发送,这可谓HTTP的典型工作方式。既然没有必要发送一个纯粹的ACK包,所以设置TCP_QUICKACK为0以提高性能是完全可能的。在服务器方,这两种选项都只能在侦听套接字上设置一次。所有的套接字,也就是被接受呼叫间接创建的套接字则会继承原有套接字的所有选项。

  通过TCP_CORK、TCP_DEFER_ACCEPT和TCP_QUICKACK选项的组合,参与每一HTTP交互的数据包数量将被降低到最小的可接受水平(根据TCP协议的要求和安全方面的考虑)。结果不仅是获得更快的数据传输和请求处理速度而且还使客户/服务器双向延迟实现了最小化。

  小结

  网络程序的性能优化显然是一项复杂的任务。优化技术包括:尽可能使用零拷贝、用TCP_CORK及其等价选项组装适当的数据包、把传输数据包的数量最小化以及延迟优化等。为了提升网络、系统的性能和可伸缩性,有必要在程序代码中联合一致地采用以上各种可用方法。当然,清楚了解TCP/IP协议栈和操作系统的内部工作原理也是必要的

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