第19章 TCP的交互数据流

19.1 引言

前一章我们介绍了TCP连接的建立与释放，现在来介绍使用TCP进行数据传输的有关问题。

一些有关TCP通信量的研究如[Caceres et al. 1991]发现，如果按照分组数量计算，约有一半的TCP报文段包含成块数据（如FTP、电子邮件和Usenet新闻），另一半则包含交互数据（如Telnet和Rlogin）。如果按字节计算，则成块数据与交互数据的比例约为90%和10%。这是因为成块数据的报文段基本上都是满长度（full-sized）的（通常为512字节的用户数据），而交互数据则小得多（上述研究表明Telnet和Rlogin分组中通常约90%左右的用户数据小于10个字节）。

很明显，TCP需要同时处理这两类数据，但使用的处理算法则有所不同。本章将以Rlogin应用为例来观察交互数据的传输过程。将揭示经受时延的确认是如何工作的以及Nagle算法怎样减少了通过广域网络传输的小分组的数目，这些算法也同样适用于Telnet应用。下一章我们将介绍成块数据的传输问题。

19.2 交互式输入

首先来观察在一个Rlogin连接上键入一个交互命令时所产生的数据流。许多TCP/IP的初学者很吃惊地发现通常每一个交互按键都会产生一个数据分组，也就是说，每次从客户传到服务器的是一个字节的按键（而不是每次一行）。而且，Rlogin需要远程系统（服务器）回显我们（客户）键入的字符。这样就会产生4个报文段：（1）来自客户的交互按键；（2）来自服务器的按键确认；（3）来自服务器的按键回显；（4）来自客户的按键回显确认。图19-1表示了这个数据流。

图19-1 一种可能的处理远程交互按键回显的方法

然而，我们一般可以将报文段2和3进行合并—按键确认与按键回显一起发送。下一节将描述这种合并的技术（称为经受时延的确认）。

本章我们特意使用Rlogin作为例子，因为它每次总是从客户发送一个字节到服务器。在第26章讲到Telnet的时候，将会发现它有一个选项允许客户发送一行到服务器，通过使用这个选项可以减少网络的负载。

图19-2显示的是当我们键入5个字符date\n时的数据流（我们没有显示连接建立的过程，并且去掉了所有的服务类型输出。BSD/386通过设置一个Rlogin连接的TO S来获得最小时延）。

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图19-2 当在Rlogin连接上键入date时的数据流

注意TCP是怎样进行确认的。第1行以序号0发送数据字节，第2行通过将确认序号设为1，也就是最后成功收到的字节的序号加1，来对其进行确认（也就是所谓的下一个期望数据的序号）。在第2行中服务器还向客户发送了一序号为1的数据，客户在第3行中通过设置确认序号为2来对该数据进行确认。

19.3 经受时延的确认

在图19-2中有一些与本节将要论及的时间有关的细微之处。图19-3表示了图19-2中数据交换的时间系列（在该时间系列中，去掉了所有的窗口通告，并增加了一个记号来表明正在传输何种数据）。

把从bsdi发送到srv4的7个ACK标记为经受时延的ACK。通常TCP在接收到数据时并不立即发送ACK；相反，它推迟发送，以便将ACK与需要沿该方向发送的数据一起发送（有时称这种现象为数据捎带ACK）。绝大多数实现采用的时延为200 ms，也就是说，TCP将以最大200 ms的时延等待是否有数据一起发送。

202TCP/IP详解，卷1：协议

图19-3 在rlogin连接上键入date命令时的数据流时间系列

如果观察svr4为产生所收到的每个字符的回显所使用的时间，则这些时间分别为16.5、16.3、16.5、16.4和17.3ms。由于这个时间小于200 ms，因此我们在另一端从来没有观察到一个经受时延的ACK。在经受时延的定时器溢出前总是有数据需要发送（如果有一个约为16 ms等待时间越过了内核的200 ms时钟滴答的边界，则仍可以看到一个经受时延的ACK。在本例中我们一个也没有看到）。

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图19-4 在slip和vangogh.cs.berkeley.edu之间使用rlogin时的数据流

19.4.1 关闭Nagle算法

有时我们也需要关闭Nagle算法。一个典型的例子是X窗口系统服务器（见30.5节）：小消息（鼠标移动）必须无时延地发送，以便为进行某种操作的交互用户提供实时的反馈。

这里将举另外一个更容易说明的例子—在一个交互注册过程中键入终端的一个特殊功能键。这个功能键通常可以产生多个字符序列，经常从ASCII码的转义(escape)字符开始。如果TCP每次得到一个字符，它很可能会发送序列中的第一个字符（ASCII码的ESC），然后缓存其他字符并等待对该字符的确认。但当服务器接收到该字符后，它并不发送确认，而是继续等待接收序列中的其他字符。这就会经常触发服务器的经受时延的确认算法，表示剩下的字符没有在200 ms内发送。对交互用户而言，这将产生明显的时延。

插口API用户可以使用TCP_NODELAY选项来关闭Nagle算法。

Host Requirements RFC声明TCP必须实现Nagle算法，但必须为应用提供一种方法来关闭该算法在某个连接上执行。

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图19-5 当键入能够产生多个字节数据的字符时Nagle算法的观察情况

图19-6表示了这个交互过程的时间系列。在该图的下面部分我们给出了从客户发送到服务器的6个字节和它们的序号以及将要返回的8个字节的回显。

图19-6 图19-5的时间系列（Nagle算法的观察结果）

206TCP/IP详解，卷1：协议

图19-7 在一个Rlogin会话中关闭Nagle算法

在已知某些报文段在网络上形成交叉的情况下，以该结果构造时间系列则更具有启发性和指导意义。这个例子同样也需要随着数据流对序号进行仔细的检查。在图19-8中显示这个结果。用图19-7中tcpdump输出的号码对报文段进行了相应的编号。

我们注意到的第1个变化是当3个字节准备好时它们全部被发送（报文段1、2和3）。没有时延发生—Nagle算法被禁止。

在tcpdump输出中的下一个分组（报文段4）中带有来自服务器的第5个字节及一个确认序号为4的ACK。这是不正确的，因为客户并不希望接收到第5个字节，因此它立即发送一个确认序号为2而不是6的响应（没有被延迟）。看起来一个报文段丢失了，在图19-8中我们用虚线表示。

如何知道这个丢失的报文段中包含第2、3和4个字节，且其确认序号为3呢？这是因为正如在报文段5中声明的那样，我们希望的下一个字节是第2个字节（每当TCP接收到一个超出期望序号的失序数据时，它总是发送一个确认序号为其期望序号的确认）。也正是因为丢失的分组中包含第2、3和4个字节，表明服务器必定已经接收到报文段2，因此丢失的报文段中的确认序号一定为3（服务器期望接收的下一个字节号）。最后，注意到重传的报文段6中包含有丢失的报文段中的数据和报文段4，这被称为重新分组化。我们将在22.11节对其进行更多的介绍。

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图19-8 图19-7的时间系列（关闭Nagle算法）

19.5 窗口大小通告

在图19-4中，我们可以观察到slip通告窗口大小为4096字节，而vangogh通告其窗口大小为8192个字节。该图中的大多数报文段都包含这两个值中的一个。

208TCP/IP详解，卷1：协议

然而，报文段5通告的窗口大小为4095个字节，这意味着在TCP的缓冲区中仍然有一个字节等待应用程序（Rlogin客户）读取。同样，来自客户的下一个报文段声明其窗口大小为4094个字节，这说明仍有两个字节等待读取。

服务器通常通告窗口大小为8192个字节，这是因为服务器在读取并回显接收到的数据之前，其TCP没有数据发送。当服务器已经读取了来自客户的输入后，来自服务器的数据将被发送。

然而，在ACK到来时，客户的TCP总是有数据需要发送。这是因为它在等待ACK的过程中缓存接收到的字符。当客户TCP发送缓存的数据时，Rlogin客户没有机会读取来自服务器的数据，因此，客户通告的窗口大小总是小于4096。

19.6 小结

交互数据总是以小于最大报文段长度的分组发送。在Rlogin中通常只有一个字节从客户发送到服务器。Te lnet允许一次发送一行输入数据，但是目前大多数实现仍然发送一个字节。

对于这些小的报文段，接收方使用经受时延的确认方法来判断确认是否可被推迟发送，以便与回送数据一起发送。这样通常会减少报文段的数目，尤其是对于需要回显用户输入字符的Rlogin会话。

在较慢的广域网环境中，通常使用Nagle算法来减少这些小报文段的数目。这个算法限制发送者任何时候只能有一个发送的小报文段未被确认。但我们给出的一个例子也表明有时需要禁止Nagle算法的功能。

习题

1. 考虑一个TCP客户应用程序，它发送一个小应用程序首部（8个字节）和一个小请求（12个字节），然后等待来自服务器的一个应答。比较以下两种方式发送请求时的处理情况：先发送8个字节再发送12个字节和一次发送20个字节。
2. 图19-4中我们在路由器sun上运行tcpdump。这意味着从右至左的箭头中的数据也需要经过bsdi，同时从左至右的箭头中的数据已经流经bsdi。当观察一个送往slip的报文段及下一个来自slip的报文段时，我们发现它们之间的时间差分别为：34.8、26.7、30.1、28.1、29.9和35.3ms。现给定在sun和slip之间存在两条链路（一个以太链路和一个9600 b/s的CSLIP链路），试问这些时间差的含义（提示：重新阅读2.10节）。
3. 比较在使用Nagle算法（图19-6）和禁止Nagle算法（图19-8）的情况下发送一个特殊功能键并等待其应答所需要的时间。