TCP 拥塞控制对数据延迟的影响

哈喽大家好，我是咸鱼

今天分享一篇文章，是关于 TCP 拥塞控制对数据延迟产生的影响的。作者在服务延迟变高之后进行抓包分析，结果发现时间花在了 TCP 本身的机制上面：客户端并不是将请求一股脑发送给服务端，而是只发送了一部分，等到接收到服务端的 ACK，然后继续再发送，这就造成了额外的 RTT，这个额外的 RTT 是由 TCP 的拥塞控制导致的

原文链接：https://www.kawabangga.com/posts/5181

这是上周在项目上遇到的一个问题，在内网把问题用英文分析了一遍，觉得挺有用的，所以在博客上打算再写一次。

问题是这样的：我们在当前的环境中，网络延迟 <1ms，服务的延迟是 2ms，现在要迁移到一个新的环境，新的环境网络自身延迟(来回的延迟，RTT，本文中谈到延迟都指的是 RTT 延迟)是 100ms，那么请问，服务的延迟应该是多少？

我们的预期是 102ms 左右，但是现实中，发现实际的延迟涨了不止 100ms，P99 到了 300ms 左右。

从日志中，发现有请求的延迟的确很高，但是模式就是 200ms, 300ms 甚至 400ms 左右，看起来是多花了几个 RTT。

接下来就根据日志去抓包，最后发现，时间花在了 TCP 本身的机制上面，这些高延迟的请求都发生在 TCP 创建连接之后。

首先是 TCP 创建连接的时间，TCP 创建连接需要三次握手，需要额外增加一个 RTT。为什么不是两个 RTT？因为过程是这样的：

+0       A -> B SYN 
+0.5RTT  B -> A SYN+ACK 
+1RTT    A -> B ACK 
+1RTT    A -> B Data

即第三个包，在 A 发给 B 之后，A 就继续发送下面的数据了，所以可以认为这第三个包不会占用额外的时间。

这样的话，延迟会额外增加一个 RTT，加上本身数据传输的一个 RTT，那么，我们能观察到的最高的 RTT 应该是 2 个 RTT，即 200ms，那么为什么会看到 400ms 的请求呢？

从抓包分析看，我发现在建立 TCP 连接之后，客户端并不是将请求一股脑发送给服务端，而是只发送了一部分，等到接收到服务端的 ACK，然后继续在发送，这就造成了额外的 RTT。看到这里我恍然大悟，原来是 cwnd 造成的。

cwnd 如何分析，之前的博文中也提到过。简单来说，这是 TCP 层面的一个机制，为了避免网络赛车，在建立 TCP 连接之后，发送端并不知道这个网络到底能承受多大的流量，所以发送端会发送一部分数据，如果 OK，满满加大发送数据的量。这就是 TCP 的慢启动。

那么慢启动从多少开始呢？

Linux 中默认是 10.

/usr/src/linux/include/net/tcp.h:
/* TCP initial congestion window as per draft-hkchu-tcpm-initcwnd-01 */
#define TCP_INIT_CWND          10

也就是说，在小于 cwnd=10 * MSS=1448bytes = 14480bytes 数据的情况下，我们可以用 2 RTT 发送完毕数据。即 1 个 RTT 用于建立 TCP 连接，1个 RTT 用于发送数据。

下面这个抓包可以证明这一点，我在 100ms 的环境中，从一端发送了正好 14480 的数据，恰好是用了 200ms：

100ms 用于建立连接，100ms 用于发送数据

如果发送的数据小于 14480 bytes（大约是 14K），那么用的时间应该是一样的。

但是，如果多了即使 1 byte，延迟也会增加一个 RTT，即需要 300ms。下面是发送 14481 bytes 的抓包情况：

多出来一个 100ms 用于传输这个额外的 byte

慢启动，顾名思义，只发生在启动阶段，如果第一波发出去的数据都能收到确认，那么证明网络的容量足够，可以一次性发送更多的数据，这时 cwnd 就会继续增大了（取决于具体拥塞控制的算法）。

这就是额外的延迟的来源了。回到我们的案例，这个用户的请求大约是 30K，响应也大约是 30K，而 cwnd 是双向的，即两端分别进行慢启动，所以，请求发送过来 +1 RTT，响应 +1 RTT，TCP 建立连接 +1 RTT，加上本身数据传输就有 1 RTT，总共 4RTT，就解释的通了。

解决办法也很简单，两个问题都可以使用 TCP 长连接来解决。

PS：其实，到这里读者应该发现，这个服务本身的延迟，在这种情况下，也是 4个 RTT，只不过网络环境 A 的延迟很小，在 1ms 左右，这样服务自己处理请求的延迟要远大于网络的延迟，1 个 RTT 和 4 个 RTT 从监控上几乎看不出区别。

PPS：其实，以上内容，比如 “慢启动，顾名思义，只发生在启动阶段“，以及 ”两个问题都可以使用 TCP 长连接来解决“ 的表述是不准确的，详见我们后面又遇到的一个问题：TCP 长连接 CWND reset 的问题分析。

Initial CWND 如果修改的话也有办法。

这里的 thread 的讨论，有人提出了一种方法：大意是允许让应用程序通过 socket 参数来设置 CWND 的初始值：

setsockopt(fd, IPPROTO_TCP, TCP_CWND, &val, sizeof (val))

——然后就被骂了个狗血淋头。

Stephen Hemminger 说 IETF TCP 的家伙已经觉得 Linux 里面的很多东西会允许不安全的应用了。这么做只会证明他们的想法。这个 patch 需要做很多 researech 才考虑。

如果 misuse，比如，应用将这个值设置的很大，那么假设一种情况：网络发生拥堵了，这时候应用不知道网络的情况，如果建立连接的话，还是使用一个很大的 initcwnd 来启动，会加剧拥堵，情况会原来越坏，永远不会自动恢复。

David Miller 的观点是，应用不可能知道链路 (Route) 上的特点：

1. initcwnd 是一个路由链路上的特点，不是 by application 决定的；
2. 只有人才可能清楚整个链路的质量，所以这个选项只能由人 by route 设置。

所以现在只能 by route 设置。

我实验了一下，将 cwnd 设置为 40:

通过 ip route 命令修改

然后在实验，可以看到这时候，client 发送的时候，可以一次发送更多的数据了。

后记

现在看这个原因，如果懂一点 TCP，很快就明白其中的原理，很简单。

但是现实情况是，监控上只能看到 latency 升高了，但是看不出具体是哪一些请求造成的，只知道这个信息的话，那可能的原因就很多了。到这里，发现问题之后，一般就进入了扯皮的阶段：中间件的用户拿着监控（而不是具体的请求日志）去找平台，平台感觉是网络问题，将问题丢给网络团队，网络团队去检查他们自己的监控，说他们那边显示网络没有问题（网络层的延迟当然没有问题）。

如果要查到具体原因的话，需要：

1. 先从日志中查找到具体的高延迟的请求。监控是用来发现问题的，而不是用来 debug 的；
2. 从日志分析时间到底花在了哪一个阶段；
3. 通过抓包，或者其他手段，验证步骤2 （这个过程略微复杂，因为要从众多连接和数据包中找到具体一个 TCP 的数据流）

我发现在大公司里面，这个问题往往牵扯了多个团队，大家在没有确认问题就出现在某一个团队负责的范围内的时候，就没有人去这么查。

我在排查的时候，还得到一些错误信息，比如开发者告诉我 TCP 连接的保持时间是 10min，然后我从日志看，1min 内连续的请求依然会有高延迟的请求，所以就觉得是 TCP 建立连接 overhead 之外的问题。最后抓包才发现明显的 SYN 阶段包，去和开发核对逻辑，才发现所谓的 10min 保持连接，只是在 Server 侧一段做的，Client 侧不关心这个时间会将 TCP 直接关掉。

幸好抓到的包不会骗人。