TCP 延迟分析

本文是对《延迟增加了多少？》一文的答案和分析。

总延迟应该是 900ms 左右。

Ping 的延迟指的是 RTT, Round Trip Time. 即一个包发过去，对方发一个包回来，总延迟是 200ms。一种误解是认为 ping 测得的延迟是 200ms，所以一个请求发过去是 200ms，响应发回来是 200ms，总延迟是 400ms。如果仔细想一想的话，我们在发送端测量延迟的时候，没有办法只测量一个包从发送端达到接收端的延迟。除非是让接收端在回复的时候记录收到包的时间？但是发送端和接收端的时钟可能不一致，如果精确测量的话，协议上就要依赖不同的机器时钟对齐。直接让总时间除以 2？这也意义不大，因为包去和回的路线不一定一样，延迟也不一定是一半一半。所以我们在讨论延迟的时候，都是默认 RTT。

TCP 握手的延迟是 1 个 RTT，即 200ms。这里也有很多人会有一个误解，就是认为「TCP 是三次握手，所以握手带来的延迟是 1.5 RTT」。这个误解是因为教科书的 TCP 序列图太迷惑了，看起来像是握手需要发送 3 个包，之后才能发送数据。实际上，在握手阶段，第三个包 ACK 发出之后，发送端直接开始发送数据。即，客户端发送 SYN 建立握手，收到 SYN+ACK，消耗了 1 个 RTT；发送端随即发送 ACK，然后直接进入数据发送阶段，开始发送数据。所以握手阶段第三个 ACK 包是不会带来延迟的。

上文题目提到，请求的大小是 16KiB，这里经常出现的误解是：「一个 Frame 的 MTU 是 1500bytes，减去 20 bytes IP header 和 20 bytes TCP header，一个包携带的实际数据是 1460 bytes，所以 16KiB 请求传输完成是 16KiB/1460 bytes 个 RTT。」这也是被教科书常用的序列图迷惑了，TCP 传输中，发送端并不是发送一个包，等待 ACK，发送下一个包……而是直接传输很多包，接收端可以直接用一个 ACK 去 ACK 多个包。发送端是「一组包一组包地发送」，而不是「一个包一个包地发送」。

那么一下子可以发送多少个包呢？发送端可以一下子把 16KiB 的数据都发送完吗？这里涉及到 TCP 的拥塞控制了。为了避免过载接收端和中间链路上的路由器等设备，TCP 发送端发送出去但是未确认的数据会保持在接收端窗口 (rwnd)和拥塞控制窗口之内 (cwnd)。接收端的窗口一般不是瓶颈，所以这里忽略不讨论。cwnd 在 Linux 的初始值是 10，即 TCP 连接建立之后，会一下子发送 10 个 MSS 的数据，即 1460 bytes * 10 大约是 14.6KiB 的数据。然后会等待接收端发送回来 ACK，再开始下一轮数据的发送，并且逐渐增大 cwnd。对于响应，同理，这时候服务 B 的服务器变成了发送端，也是需要发送两轮数据。更详细的解释可以阅读这篇：《TCP 拥塞控制对数据延迟的影响》。

最后，来到了四次挥手。这里的误解是 TCP 断开连接 4 次挥手需要花费 2 个 RTT。实际上，断开连接的过程是不产生耗时的，因为在 TCP 断开连接之前，应用的请求已经发送完成，响应也已经收到，kernel 已经将收到的数据送给了用户态，用户态的程序已经继续运行了。即使应用调用 close(), 也是直接返回，kernel 再慢慢处理关闭连接的过程。所以断开连接是 kernel 来做的「收尾工作」，不会贡献请求处理的延迟。

综上，总结一下，实际耗时是 900ms，其中：

• TCP 建立连接需要 1 个 RTT；
• 如果是 HTTP 请求很小，响应也很小，那么请求和响应需要耗费 1 个 RTT；
• 但是 HTTP 请求很大，因为 cwnd 的限制，需要额外耗费 1 个 RTT 来传输；
• 同理，响应也很大，也需要额外花费 1 个 RTT；
• 服务端程序处理需要花费 100ms，保持不变；

最后是 200ms * 4 个 RTT + 100ms = 900ms；

再留一个问题给读者：你知道应该如何优化，让这个请求耗费的延迟最小吗？（分析一下最小延迟是多少，一个 RTT 用来传输数据是比不可少的，服务端的 100ms 也无法节省，所以最小延迟是 300ms，如何从 900ms 优化到 300ms 呢？）

提示

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1. 序章
2. 抓包技术以及技巧
3. 理解网络的分层模型
4. 数据是如何路由的
5. 网络问题排查的思路和技巧
6. 不可以用路由器？
7. 网工闯了什么祸？
8. 网络中的环路和防环技术
9. 延迟增加了多少？
10. TCP 延迟分析
11. 重新认识 TCP 的握手和挥手
12. 重新认识 TCP 的握手和挥手：答案和解析
13. TCP 下载速度为什么这么慢？
14. TCP 长肥管道性能分析
15. 后记：学习网络的一点经验分享

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