为 TCP 的重新传输实现更低的计时器粒度

2007 年 10 月 22 日

使用实现重新传输计时器的计时器轮算法来减少每个计时单元 (tick) 处理的开销。AIX® 传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）共有七个计时器（每个连接），并使用全局计时器函数和两种粒度来实现这些计时器。在本文中，将研究如何通过使用 AIX TCP 快速计时器使重新传输计时器实现更低的粒度，并了解使用更低的计时器粒度的其他优点。

引言

AIX® 传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）为每个连接维护七个计时器：

• 连接建立 (Connection establishment)
• 重新传输 (Retransmission)
• 延迟确认（Delayed acknowledgment，ACK）
• 持续 (Persist)
• 保持连接 (Keepalive)
• FIN_WAIT_2
• TIME_WAIT

为了实现这些每个连接都包含的计时器，TCP 使用了一些全局计时器函数，它们提供了两种粒度：

• tcp_fasttimo：每 200 毫秒调用它一次，并实现了快速计时器。
• tcp_slowtimo：每 500 毫秒调用它一次，并实现了慢速计时器。

在 TCP 的重新传输计时器实现中，将重新传输超时存储于 TCP 控制块的计时单元中，其中一个计时单元 = 500 毫秒。当 TCP 的慢速计时器每隔 500 毫秒计时到期的时候，将调用 tcp_slowtimo。这个例程将遍历 TCP 控制块表，并且对每个连接的超时（以计时单元为单位进行指定）进行递减操作，即每次减一。当计时器的计时单元数达到零时，它将调用超时处理程序例程为该连接处理相应的超时。这个实现要求 TCP 计时器的下限为 500 毫秒。

正如您所知道的，TCP 根据所测量的往返时间，动态地计算超时。目前，TCP 重新传输超时的最小时间为 3 秒。然而，对于一些高速网络，如千兆位的以太网和万兆位的以太网，预期的往返时间（因此重新传输超时）要低得多。如果不进行传输，那么每秒钟将损失掉 120MB 的吞吐量。因此，我们需要一种更好的方法来处理高速的和低延迟的网络。

使用重新传输计时器来实现更低粒度的一种方式是，使用 TCP 的快速计时器（200 毫秒），可以将其缺省值设置为 50 毫秒，取代了原来的 200 毫秒。这种方法所带来的缺点是，处理以更高的速率扫描所有协议控制块 (PCB) 的开销。PCB 是为连接保存控制信息的一种内部结构。本文说明了基于计时器轮算法实现 TCP 的重新传输计时器的一种备选方法。

计时器轮算法

一个计时轮包含 N 个槽位。一个槽位代表一个时间单元，如 si（槽位时间间隔）。每经过一个时间单元，计时轮中的指针移动一个位置，就像时钟中的秒针一样。当指针移动到一个槽位时，例如 cs（当前槽），这表示在这个槽位中的计时器列表（如果存在的话）立即计时到期，或者当指针在后续周期中到达相同槽位时计时到期。

在将具有某个计时间隔的新的计时器，如 ti（时间间隔），添加到这个计时器轮时，将计算出这个新计时器的槽位 ts（计时器槽位），具体如下所示：

ts = ( cs + (ti / si)) % N

假定所有计时器的最大计时时间间隔都不超过某个上限（tmax）。如果 N 足够大，能够在从当前指针位置开始的一周之内容纳 tmax，那么当指针移动到一个特定的槽位时，该槽位中的所有计时器立即同时计时到期（而不是后继周期）。这样可以避免遍历该列表以检查现在哪些计时器计时到期，以及在后继周期中哪些计时器将计时到期。

例如，在下面的图 1 所示的计时轮中，共有 8 个槽位，编号从 0 到 7。您可以观察以槽位 1、3、5、4 和 6 为中心的计时器条目。目前，指针处于槽位 1。以该槽位为中心的三个计时器将立即计时到期、或者在后继周期中当指针达到相同槽处时计时到期。

图 1. 计时轮

使用计时器轮算法的 RTO 实现

这个部分说明了在 AIX 中使用计时器轮算法的重新传输超时 (RTO) 实现。在 AIX 中，将计时器轮中的槽位数目选择为 N=7000。该计时器轮实现的槽位时间间隔 (si) 可以使用 no 选项和 timer_wheel_tick 来进行配置。timer_wheel_tick 的取值范围从 0 到 100 个计时单元，其中每个计时单元 = 10 毫秒。因此，如果将 timer_wheel_tick 设置为 1，例如 10 毫秒，那么该计时器每个周期的计时时长是 N x si = 70 秒。因为 AIX TCP RTO 的最大值 (tmax) 是 64 秒，所以这个值足够大，可以确保在一个槽位中所有的重新传输计时器同时计时到期，而不需要等到后继的周期。

可以使用 no 选项和 tcp_low_rto 来配置 RTO 值。tcp_low_rto 的取值范围从 0 到 3000 毫秒。如果配置了该值，那么会将这个 RTO 值设置为该系统中所有 TCP 连接的初始重新传输超时。

即使配置了 tcp_low_rto，也只有在出现丢包的情况下，该算法才会对连接生效，如下面的图 2 所示。否则，使用这个算法是无效的。在重新传输计时器实现（用于未出现丢包情况的连接）的传统方法中，您所需要做的是，在 TCP 的控制块中设置计时单元数以启动重新传输计时器。当确认信息到达的时候，通过将该值设置为 0 来停止重新传输计时器。在重新传输计时器不可能计时到期的情况下，使用这一方法来进行启动或者停止是最有效的。

您可以继续使用重新传输计时器实现的传统方法，直到出现下面的任何一种情形为止：

• 重新传输计时器计时到期
• 对于某个连接，打开了快速重新传输阶段

本文转自：IBM developerWorks 中国
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