TCP 拥塞控制对数据延迟的影响

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：

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.

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：

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。

注意，图中虽然 TCP 在我手的时候，双方协商的 MSS 是 1460bytes，但是由于 TCP 的 Timestamps 会在 options 中占用 12 bytes，所以实际上发送的数据，payload 最大为 1448bytes. 在本文中，可以理解为实际的数据段的 maximum segment size 是 1448 bytes。

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：

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 30KiB，响应也大约是 30KiB，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:

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。

---