聂永的博客

记录工作/学习的点点滴滴。

TCP协议缺陷不完全记录

零。前言

TCP自从1974年被发明出来之后,历经30多年发展,目前成为最重要的互联网基础协议。有线网络环境下,TCP表现的如虎添翼,但在移动互联网和物联网环境下,稍微表现得略有不足。

移动互联网突出特性不稳定:信号不稳定,网络连接不稳定。虽然目前发展到4G,手机网络带宽有所增强,但因其流动特性,信号也不是那么稳定:坐长途公交车,或搭乘城铁时,或周边上网密集时等环境,现实环境很复杂。

以下讨论基于Linux服务器环境,假定环境为移动互联网环境。记录我目前所知TCP的一些不足,有所偏差,请给与指正。

一。三次握手

在确定传递数据之前需要三次握手,显然有些多余,业界提出了TCP Fast Open (TFO)扩展机制,两次握手之后就可以发送正常业务数据了。但这需要客户端和服务器端内核层面都支持才行: Linux内核3.6客户端,3.7支持服务器端。

进阶阅读:TCP Fast Open: expediting web services

二。慢启动

一次的HTTP请求,应用层发送较大HTML页面的数据,需要经过若干个往返循环时间(Round-Trip Time)之后,拥塞窗口才能够扩展到最大适合数值,中间过程颇为冗余。这个参数直接关系着系统吞吐量,吞吐量大了,系统延迟小了。但设置成多大,需要根据业务进行抉择。

3.0内核之前初始化拥塞窗口(initcwnd)大小为3。一个已建立连接初始传输数据时可传递3个MSS,若1个MSS为1400那么一次性可传递4K的数据,若为10,一次性可传递13K的数据。

谷歌经过调研,建议移动互联网WEB环境下建议initcwnd设置成10,linux内核3.0版本之后默认值为10。遇到较低内核,需要手动进行设置。

若是局域网环境有类似大数据或文件的传输需求,可以考虑适当放宽一些。

若长连接建立之后传输的都是小消息,每次传输二进制不到4K,那么慢启动改动与否都是无关紧要的事情了。

进阶阅读:

三。线头阻塞(Head-of-line blocking, HOL)

TCP协议数据传输需要按序传输,可以理解为FIFO先进先出队列,当前面数据传输丢失后,后续数据单元只能等待,除非已经丢失的数据被重传并确认接收以后,后续数据包才会被交付给客户端设备,这就是所谓的线头(HOL,head-of-line blocking)阻塞。比较浪费服务器带宽又降低了系统性能,不高效。

1. 多路复用不理想

HTTP/2提出的业务层面多路复用,虽然在一定程度上解决了HTTP/1.*单路传输问题,但依然受制于所依赖的TCP本身线头阻塞的缺陷。构建于TCP上层协议的多路复用,一旦发生出现线头阻塞,需要小心对待多路的业务数据发送失败问题。

2. TCP Keepalive机制失效

理论上TCP的Keepalive保活扩展机制,在出现线头阻塞的时候,发送不出去被一直阻塞,完全失效。

类似于NFS文件系统,一般采用双向的TCP Keepalive保活机制,用以规避某一端因线头阻塞出现导致Keepalive无效的问题,及时感知一端存活情况。

3. 线头阻塞超时提示

数据包发送了,启动接收确认定时器,超时后会重发,重发依然无确认,后续数据会一直堆积到待发送队列中,这里会有一个阻塞超时,算法很复杂。上层应用会接收到来自内核协议栈的汇报"No route to host"的错误信息,默认不大于16分钟时间。在服务器端(没有业务心跳支持的情况下)发送数据前把终端强制断线,顺便结合TCPDUMP截包,等15分钟左右内核警告"EHOSTUNREACH"错误,应用层面就可以看到"No route to host"的通知。

四。四次摆手

两端连接成功建立之后,需要关闭时,需要产生四次交互,这在移动互联网环境下,显得有些多余。快速关闭,快速响应,冗余交互导致网络带宽被占用。

五。确认机制通知到上层应用?

这是一个比较美好的愿望,上层应用在调用内核层接口发送大段数据,内核完成发送并且收到对方完整确认,然后通知上层应用已经发送成功,那么在一些环境下,可以节省不少业务层面交互步骤。

六。NAT网关超时

IPV4有限,局域网环境借助于NAT路由设备扩展了接入终端设备的数量。当建立一个TCP长连接时,NAT设备需要维护一个内部终端连接外部服务器所使用的内部IP:PORT与出去的IP:PORT映射对应关系。这个关系需要维护,比较耗费内存资源,有超时定时器清理,否则会导致内存撑爆。

不同NAT设备超时值不一样,因此才需要心跳辅助,确保经过NAT设备的连接一直保持,避免因过长的时间被踢掉。比如针对中国移动网络连接持久时间一般设置为不超过5分钟。各种网络略有差异,引入智能心跳机制比较合适。

七。终端IP漫游

手机终端经常在2G/3G/4G和WIFI之间切换,导致IP地址频繁发生改变。这样造成的后果就是已有的网络请求-响应被放弃和终止,需要人工干预或重新发起请求,存在资源浪费现象。

支持Multipath TCP的终端设备,可以同时利用 2G/3G/4G 和 WiFi 建立Mutlpath连接,通过多点优化网络下载,且互为备份。可以很好解决多个网络共存的情况下,一个网络中断不会导致全局请求处理中断,在设备的连接稳定和可靠性方面有所增强。

当然,服务器之间也可以利用Multipath TCP的多个网络增强网络吞吐量。

现状是:

  1. 目前只有IOS 7以及后续版本支持
  2. Linux kernel 3.10实验分支上可以看到其支持身影,但何时合并到主分支上,暂时未知

进阶阅读:A closer look at the scientific literature on Multipath TCP

八。TCP缓存膨胀

当路由器接收到的数据包超越其队列长度时,一般会随机丢包,以减少膨胀。针对上层应用程序而言,延迟增加,或误认为数据丢失,或连接丢失等。

遇到这种情况,一般建议快速发包,以避免丢失的数据部分。内核层面今早升级到最新版,不低于3.6即可。

进阶阅读:Bufferbloat

九。TCP不是绝对可靠的

  1. IP和TCP协议在头部都会有check sum错误校验和机制,16位表示,反码相加,结果求反,具体可参考 TCP校验和的原理和实现。一般错误很轻松可检测出来,但遇到两个16位数字相加后结果不变的情况就一筹莫展了
  2. 以太网帧CRC32校验一般情况下都很OK,但可能遇到两端隔离多个路由器情况下,就有可能出现问题,比如陈硕老师提供的一张图:

    上图中Client向Server发了一个TCP segment,这个segment先被封装成一个IP packet,再被封装成ethernet frame,发送到路由器(图中消息a)。Router收到ethernet frame (b),转发到另一个网段(c),最后Server收到d,通知应用程序。Ethernet CRC能保证a和b相同,c和d相同;TCP header check sum的强度不足以保证收发payload的内容一样。另外,如果把Router换成NAT,那么NAT自己会构造c(替换掉源地址),这时候a和d的payload不能用tcp header checksum校验。

  3. 路由器可能偶然出现硬件/内存故障导致收发IP报文出现多bit/单bit的反转或双字节交换,这个反转如果发生在payload区,那么无法用链路层、网络层、传输层的check sum查出来,只能通过应用层的check sum来检测。因此建议应用层要设法添加校验数据功能。

  4. 大文件下载添加校验保证数据完整性,一般采用MD5,也用于防止安全篡改

参考资料:

十。小结

在这个满世界都是TCP的环境下,要想对TCP动大手术,这个是不太可能的,因为它已经固化到已有的系统内核和固件中。比如升级终端(比如Android/IOS等)系统/固件,Linux服务器内核,中间设备/中介设备(如路由器等),这是一个浩大工程,目前看也不现实。

TCP位于系统内核层,内核空间的升级、修复,最为麻烦。服务器端升级还好说一些,用户终端系统的升级那叫一个难。用户空间/用户核的应用升级、改造相对比来说可控性强,基于此Google专家们直接在UDP协议上进行构建、并且运行在用户空间的QUIC协议,综合了UDP的轻量和TCP的可靠性,是一个比较新颖的方向。

若是对以后底层传输协议有所期望的话:

  • 在用户空间(用户核)出现可以定制的协议,类似于QUIC
  • 传统的TCP/UDP可以运行在用户空间,直接略过内核
  • 完整协议栈以静态链接库形式提供给上层应用
  • 上层应用可以在编译、打包的时包含其所依赖协议栈静态链接库so文件
  • dpdk/netmap等Packet IO框架 + 用户空间协议堆栈,数据将从网卡直接送达上层应用
  • Linux内核重要性降低,常规的SSH系统维护

虽然TCP存在这样、那样的问题,但目前还是无法绕过的网络基础设施,但稍微明白一些不足的地方,或许会对我们当前使用的现状有所帮助。



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posted on 2015-05-07 14:56 nieyong 阅读(11467) 评论(3)  编辑  收藏

评论

# re: TCP协议缺陷不完全记录 2015-05-29 13:26 中国设计星

嗯,这个很实用,先收藏了。  回复  更多评论   

# re: TCP协议缺陷不完全记录 2015-11-05 14:11 ikillmeba

学习学习  回复  更多评论   

# re: TCP协议缺陷不完全记录 2016-05-07 15:06 redsmith

非常好,赞!  回复  更多评论   


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