Nagle算法及其禁用

Nagle算法

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Nagle算法是以他的发明人John Nagle的名字命名的，它用于自动连接许多的小缓冲器消息；这一过程（称为nagling）通过减少必须发送包的个数来增加网络软件系统的效率。

中文名

Nagle算法

发明人

John Nagle

用    于

自动连接许多的小缓冲器消息

优    点

减少拥塞控制

目录

1. 1 简介
2. 2 算法

简介

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Nagle算法于1984年定义为福特航空和通信公司IP/TCP拥塞控制方法，这使福特经营的最早的专用TCP/IP网络减少拥塞控制，从那以后这一方法得到了广泛应用。Nagle的文档里定义了处理他所谓的小包问题的方法，这种问题指的是应用程序一次产生一字节数据，这样会导致网络由于太多的包而过载（一个常见的情况是发送端的"糊涂窗口综合症(Silly Window Syndrome)"）。从键盘输入的一个字符，占用一个字节，可能在传输上造成41字节的包，其中包括1字节的有用信息和40字节的首部数据。这种情况转变成了4000%的消耗，这样的情况对于轻负载的网络来说还是可以接受的，但是重负载的福特网络就受不了了，它没有必要在经过节点和网关的时候重发，导致包丢失和妨碍传输速度。吞吐量可能会妨碍甚至在一定程度上会导致连接失败。Nagle的算法通常会在TCP程序里添加两行代码，在未确认数据发送的时候让发送器把数据送到缓存里。任何数据随后继续直到得到明显的数据确认或者直到攒到了一定数量的数据了再发包。尽管Nagle的算法解决的问题只是局限于福特网络，然而同样的问题也可能出现在ARPANet。这种方法在包括因特网在内的整个网络里得到了推广，成为了默认的执行方式，尽管在高互动环境下有些时候是不必要的，例如在客户/服务器情形下。在这种情况下，nagling可以通过使用TCP_NODELAY 套接字选项关闭。

MSDN:

A TCP/IP optimization called the Nagle Algorithm can also limit data transfer speed on a connection. The Nagle Algorithm is designed to reduce protocol overhead for applications that send small amounts of data, such as Telnet, which sends a single character at a time. Rather than immediately send a packet with lots of header and little data, the stack waits for more data from the application, or an acknowledgment, before proceeding.

算法

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　　TCP/IP协议中，无论发送多少数据，总是要在数据前面加上协议头，同时，对方接收到数据，也需要发送ACK表示确认。为了尽可能的利用网络带宽，TCP总是希望尽可能的发送足够大的数据。（一个连接会设置MSS参数，因此，TCP/IP希望每次都能够以MSS尺寸的数据块来发送数据）。Nagle算法就是为了尽可能发送大块数据，避免网络中充斥着许多小数据块。
　　Nagle算法的基本定义是任意时刻，最多只能有一个未被确认的小段。 所谓“小段”，指的是小于MSS尺寸的数据块，所谓“未被确认”，是指一个数据块发送出去后，没有收到对方发送的ACK确认该数据已收到。
　　Nagle算法的规则（可参考tcp_output.c文件里tcp_nagle_check函数注释）：

（1）如果包长度达到MSS，则允许发送；

（2）如果该包含有FIN，则允许发送；

（3）设置了TCP_NODELAY选项，则允许发送；

（4）未设置TCP_CORK选项时，若所有发出去的小数据包（包长度小于MSS）均被确认，则允许发送；

（5）上述条件都未满足，但发生了超时（一般为200ms），则立即发送。

伪代码：

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    if there is new data to send #有数据要发送

        # 发送窗口缓冲区和队列数据 >=mss，队列数据（available data）为原有的队列数据加上新到来的数据

        # 也就是说缓冲区数据超过mss大小，nagle算法尽可能发送足够大的数据包

        if the window size >= MSS and available data is >= MSS 

            send complete MSS segment now # 立即发送

        else

            if there is unconfirmed data still in the pipe # 前一次发送的包没有收到ack

                # 将该包数据放入队列中，直到收到一个ack再发送缓冲区数据

                enqueue data in the buffer until an acknowledge is received 

            else

                send data immediately # 立即发送

            end if

        end if

    end if　

Nagle算法只允许一个未被ACK的包存在于网络，它并不管包的大小，因此它事实上就是一个扩展的停-等协议，只不过它是基于包停-等的，而不是基于字节停-等的。Nagle算法完全由TCP协议的ACK机制决定，这会带来一些问题，比如如果对端ACK回复很快的话，Nagle事实上不会拼接太多的数据包，虽然避免了网络拥塞，网络总体的利用率依然很低。

Nagle算法是silly window syndrome(SWS)预防算法的一个半集。SWS算法预防发送少量的数据，Nagle算法是其在发送方的实现，而接收方要做的是不要通告缓冲空间的很小增长，不通知小窗口，除非缓冲区空间有显著的增长。这里显著的增长定义为完全大小的段（MSS）或增长到大于最大窗口的一半。
　　注意：BSD的实现是允许在空闲链接上发送大的写操作剩下的最后的小段，也就是说，当超过1个MSS数据发送时，内核先依次发送完n个MSS的数据包，然后再发送尾部的小数据包，其间不再延时等待。（假设网络不阻塞且接收窗口足够大）

举个例子，client端调用socket的write操作将一个int型数据（称为A块）写入到网络中，由于此时连接是空闲的（也就是说还没有未被确认的小段），因此这个int型数据会被马上发送到server端，接着，client端又调用write操作写入‘\r\n’（简称B块），这个时候，A块的ACK没有返回，所以可以认为已经存在了一个未被确认的小段，所以B块没有立即被发送，一直等待A块的ACK收到（大概40ms之后），B块才被发送。

这里还隐藏了一个问题，就是A块数据的ACK为什么40ms之后才收到？这是因为TCP/IP中不仅仅有nagle算法，还有一个TCP确认延迟机制 。当Server端收到数据之后，它并不会马上向client端发送ACK，而是会将ACK的发送延迟一段时间（假设为t），它希望在t时间内server端会向client端发送应答数据，这样ACK就能够和应答数据一起发送，就像是应答数据捎带着ACK过去。在我之前的时间中，t大概就是40ms。这就解释了为什么'\r\n'（B块）总是在A块之后40ms才发出。
　　当然，TCP确认延迟40ms并不是一直不变的，TCP连接的延迟确认时间一般初始化为最小值40ms，随后根据连接的重传超时时间（RTO）、上次收到数据包与本次接收数据包的时间间隔等参数进行不断调整。另外可以通过设置TCP_QUICKACK选项来取消确认延迟。
　　
　　2. TCP_NODELAY 选项
　　

默认情况下，发送数据采用Nagle 算法。这样虽然提高了网络吞吐量，但是实时性却降低了，在一些交互性很强的应用程序来说是不允许的，使用TCP_NODELAY选项可以禁止Nagle 算法。

此时，应用程序向内核递交的每个数据包都会立即发送出去。需要注意的是，虽然禁止了Nagle 算法，但网络的传输仍然受到TCP确认延迟机制的影响。
　　3. TCP_CORK 选项
　　

所谓的CORK就是塞子的意思，形象地理解就是用CORK将连接塞住，使得数据先不发出去，等到拔去塞子后再发出去。设置该选项后，内核会尽力把小数据包拼接成一个大的数据包（一个MTU）再发送出去，当然若一定时间后（一般为200ms，该值尚待确认），内核仍然没有组合成一个MTU时也必须发送现有的数据（不可能让数据一直等待吧）。
　　然而，TCP_CORK的实现可能并不像你想象的那么完美，CORK并不会将连接完全塞住。内核其实并不知道应用层到底什么时候会发送第二批数据用于和第一批数据拼接以达到MTU的大小，因此内核会给出一个时间限制，在该时间内没有拼接成一个大包（努力接近MTU）的话，内核就会无条件发送。也就是说若应用层程序发送小包数据的间隔不够短时，TCP_CORK就没有一点作用，反而失去了数据的实时性（每个小包数据都会延时一定时间再发送）。
　　4. Nagle算法与CORK算法区别
　　
　　Nagle算法和CORK算法非常类似，但是它们的着眼点不一样，Nagle算法主要避免网络因为太多的小包（协议头的比例非常之大）而拥塞，而CORK算法则是为了提高网络的利用率，使得总体上协议头占用的比例尽可能的小。如此看来这二者在避免发送小包上是一致的，在用户控制的层面上，Nagle算法完全不受用户socket的控制，你只能简单的设置TCP_NODELAY而禁用它，CORK算法同样也是通过设置或者清除TCP_CORK使能或者禁用之，然而Nagle算法关心的是网络拥塞问题，只要所有的ACK回来则发包，而CORK算法却可以关心内容，在前后数据包发送间隔很短的前提下（很重要，否则内核会帮你将分散的包发出），即使你是分散发送多个小数据包，你也可以通过使能CORK算法将这些内容拼接在一个包内，如果此时用Nagle算法的话，则可能做不到这一点。