第19章 TCP的交互数据流
19.4 Nagle算法
在前一节我们看到 , 在一个R l o g i n连接上客户一般每次发送一个字节到服务器，这就产生了一些4 1字节长的分组：2 0字节的I P首部、2 0字节的T C P首部和1个字节的数据。在局域网上，这些小分组（被称为微小分组（ t i n y g r a m））通常不会引起麻烦，因为局域网一般不会出现拥塞。但在广域网上，这些小分组则会增加拥塞出现的可能。一种简单和好的方法就是采用RFC 896 [Nagle 1984]中所建议的N a g l e算法。
该算法要求一个 T C P连接上最多只能有一个未被确认的未完成的小分组，在该分组的确认到达之前不能发送其他的小分组。相反， T C P收集这些少量的分组，并在确认到来时以一个分组的方式发出去。该算法的优越之处在于它是自适应的：确认到达得越快，数据也就发送得越快。而在希望减少微小分组数目的低速广域网上，则会发送更少的分组（我们将在2 2 . 3节看到“小”的含义是小于报文段的大小）。
在图1 9 - 3中可以看到，在以太网上一个字节被发送、确认和回显的平均往返时间约为 1 6m s。为了产生比这个速度更快的数据，我们每秒键入的字符必须多于 6 0个。这表明在局域网环境下两个主机之间发送数据时很少使用这个算法。
但是，当往返时间（ RT T）增加时，如通过一个广域网，情况就会发生变化。看一下在主机s l i p和主机v a n g o g h . c s . b e r k e l e y . e d u之间的R l o g i n连接工作的情况。为了从我们的网络中出去（参看原书封面内侧），需要使用两个 S L I P链路和I n t e r n e t。我们希望获得更长的往返时间。图 1 9 - 4显示了当在客户端快速键入字符（像一个快速打字员一样）时一些数据流的时间系列（去掉了服务类型信息，但保留了窗口通告）。
比较图1 9 - 4与图1 9 - 3，我们首先注意到从s l i p到v a n g o g h不存在经受时延的A C K。这是因为在时延定时器溢出之前总是有数据等待发送。
其次，注意到从左到右待发数据的长度是不同的，分别为： 1、1、2、1、2、2、3、1和3个字节。这是因为客户只有收到前一个数据的确认后才发送已经收集的数据。通过使用 N a g l e算法，为发送1 6个字节的数据客户只需要使用 9个报文段，而不再是1 6个。
报文段1 4和1 5看起来似乎是与N a g l e算法相违背的，但我们需要通过检查序号来观察其中的真相。因为确认序号是 5 4，因此报文段1 4是报文段1 2中确认的应答。但客户在发送该报文段之前，接收到了来自服务器的报文段 1 3，报文段1 5中包含了对序号为5 6的报文段1 3的确认。
因此即使我们看到从客户到服务器有两个连续返回的报文段，客户也是遵守了 N a g l e算法的。在图1 9 - 4中可以看到存在一个经受时延的 A C K，但该A C K是从服务器到客户的（报文段1 2），因为它不包含任何数据，因此我们可以假定这是经受时延的 A C K。服务器当时一定非常忙，因此无法在服务器的定时器溢出前及时处理所收到的字符。
最后看一下最后两个报文段中数据的数量以及相应的序号。客户发送 3个字节的数据（1 8 ,1 9和2 0），然后服务器确认这 3个字节（最后的报文段中的 ACK 21），但是只返回了一个字节（标号为5 9）。这是因为当服务器的T C P一旦正确收到这3个字节的数据，就会返回对该数据的确认，但只有当R l o g i n服务器发送回显数据时，它才能够发送这些数据的回显。这表明 T C P可以
在应用读取并处理数据前发送所接收数据的确认。T C P确认仅仅表明T C P已经正确接收了数据。最后一个报文段的窗口大小为8 1 8 9而非8 1 9 2，表明服务器进程尚未读取这三个收到的数据。
19.4.1 关闭Nagle算法
有时我们也需要关闭 N a g l e算法。一个典型的例子是 X窗口系统服务器（见 3 0 . 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 A S C I I码的转义( e s c a p e )字符开始。如果T C P每次得到一个字符，它很可能会发送序列中的第一个字符（ A S C I I码的E S C），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T C P _ N O D E L A Y选项来关闭Nagle算法。Host Requirements RFC声明T C P必须实现N a g l e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。
19.4.2 一个例子
可以在N a g l e算法和产生多个字符的按键之间看到这种交互的情况。在主机 s l i p和主机v a n g o g h . c s . b e r k e l e y . e d u之间建立一个R l o g i n连接，然后按下F 1功能键，这将产生3个字节：一个e s c a p e、一个左括号和一个 M。然后再按下F 2功能键，这将产生另外 3个字节。图1 9 - 5表示的是t c p d u m p的输出结果（我们去掉了其中的服务类型和窗口通告）。
图1 9 - 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。
当r l o g i n客户读取到输入的第1个字节并向T C P写入时，该字节作为报文段 1被发送。这是F 1键所产生的3个字节中的第1个。它的回显在报文段 2中被返回，此时剩余的 2个字节才被发送（报文段3）。这两个字节的回显在报文段 4被接收，而报文段5则是对它们的确认。
第1个字节的回显为2个字节（报文段2）的原因是因为在A S C I I码中转义符的回显是2个字节：插入记号和一个左括号。剩下的两个输入字节：一个左括号和一个 M，分别以自身作为回显内容。
当按下下一个特殊功能键（报文段 6 ~ 1 0）时，也会发生同样的过程。正如我们希望的那样，在报文段 5和1 0（s l i p发送回显的确认）之间的时间差是 200 ms的整数倍，因为这两个A C K被进行时延。
现在我们使用一个修改后关闭了 N a g l e算法的r l o g i n版本重复同样的实验。图 1 9 - 7显示了t c p d u m p的输出结果（同样去掉了其中的服务类型和窗口通告）。
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 1 9 - 8中显示这个结果。用图1 9 - 7中t c p d u m p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—N a g l e算法被禁止。
在t c p d u m p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A C K。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 1 9 - 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 T C P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 2 2 . 11节对其进行更多的介绍。
现在回到禁止 N a g l e算法的讨论中来。可以观察到键入的下一个特殊功能键所产生的 3个字节分别作为单独的报文段（报文段 8、9和1 0）被发送。这一次服务器首先回显了报文段 8中的字节（报文段11），然后回显了报文段9和1 0中的字节（报文段1 2）。
在这个例子中，我们能够观察到的是在跨广域网运行一个交互应用的环境下，当进行多字节的按键输入时，默认使用 N a g l e算法会引起额外的时延。
在第2 1章我们将进行有关时延和重传方面的讨论。
