TCP NAGLE算法和实现

一、背景

    先谈一下TCP nagle算法在实际网络中的表现。
        当有一个TCP数据段不足MSS，比如要发送700Byte数据，MSS为1460Byte的情况。nagle算法会延迟这个数据段的发送，等待，直到有足够的数据填充成一个完整数据段。也许有人会问，这有什么影响呢？没有太大的影响，总体上来说，这种措施能节省不必要的资源消耗。但是要发送的总体数据很小时，这种措施就是拖后腿了。比如，用户请求一个网页，大约十几KB的数据，TCP先发送了八九个数据包，剩下几百字节一直不发送，要等到另一个RTT才发送，这时候前面发送数据的ACK已经返回了。这样的用户体验是很不好的。 所以，现在很多服务器都选择主动关闭nagle算法，因为带宽够大，资源消耗不是问题，速度反而是个大问题。

二、Nagle算法的起源和机制

        nagle算法由John Nagle发明，最初是为了解决福特航空通信的拥塞控制。

        这要从糊涂窗口综合症说起，糊涂窗口综合症指的是报文段有效负载过小。产生的原因有两类：1.发送方产生数据过慢；2.接收方吸收数据过慢。详细解释一下：1.如果发送方是远程登录，每次传输的数据可能只有几个字节。占报文段比重很小。2.接收方没有足够的缓存和处理速度，总是通告过小的窗口，导致数据包有效负荷减少。相应的解决方案也有两种：1.发送端使用Nagle算法；2.接收端使用clark算法或者delay ack。发送方Nagle算法的实质是拼接小数据包，如果当前数据不够一个MSS，则等待，直到有足够的数据能拼到一起或者新的ACK到来。接收方Clark算法是一有数据包就发送ACK，但通告窗口为0，直到有足够的接收缓存，再通告较大的窗口，delay ack是指不立即回复ACK，直到有多个数据包到来，或者有足够的缓冲区。

        linux-2.6.32.12/net/ipv4/tcp_output.c
        tcp_write_xmit函数，发送数据主循环

if (tso_segs == 1) {
            if (unlikely(!tcp_nagle_test(tp, skb, mss_now,
                         (tcp_skb_is_last(sk, skb) ?
                              nonagle : TCP_NAGLE_PUSH))))
                break;
        } else {
            if (!push_one && tcp_tso_should_defer(sk, skb))
                break;
        }

       这一段代码的意思是，如果要发送的数据不够大，不能够分段时，调用tcp_nagle_test进行发送检查。

static inline int tcp_nagle_test(struct tcp_sock *tp, struct sk_buff *skb,
                 unsigned int cur_mss, int nonagle)
{
    /* Nagle rule does not apply to frames, which sit in the middle of the
     * write_queue (they have no chances to get new data).
     *
     * This is implemented in the callers, where they modify the 'nonagle'
     * argument based upon the location of SKB in the send queue.
     */
    if (nonagle & TCP_NAGLE_PUSH)
        return 1;

    /* Don't use the nagle rule for urgent data (or for the final FIN).
     * Nagle can be ignored during F-RTO too (see RFC4138).
     */
    if (tcp_urg_mode(tp) || (tp->frto_counter == 2) ||
     (TCP_SKB_CB(skb)->flags & TCPCB_FLAG_FIN))
        return 1;

    if (!tcp_nagle_check(tp, skb, cur_mss, nonagle))
        return 1;

    return 0;
}

        如果nonagle已经启用，则返回1，表示不使用nagle算法，立即发送数据。对于有紧急标志位的报文段或者最后的FIN，以及虚假RTO的情况，也不启用nagle算法，立即发送数据。
        最后的tcp_nagle_check:
        

/* Return 0, if packet can be sent now without violation Nagle's rules:
 * 1. It is full sized.
 * 2. Or it contains FIN. (already checked by caller)
 * 3. Or TCP_NODELAY was set.
 * 4. Or TCP_CORK is not set, and all sent packets are ACKed.
 * With Minshall's modification: all sent small packets are ACKed.
 */
static inline int tcp_nagle_check(const struct tcp_sock *tp,
                 const struct sk_buff *skb,
                  unsigned mss_now, int nonagle)
{
    return (skb->len < mss_now &&
        ((nonagle & TCP_NAGLE_CORK) ||
         (!nonagle && tp->packets_out && tcp_minshall_check(tp))));
}

        该函数返回0表示不启用nagle算法。如果当前报文段数据小于MSS，或者包含FIN，或者已经设置TCP_NODELAY系统参数，或者没有设置TCP_CORK选项，而所有已发出的包都已经被确认了。TCP_CORK是从另一种角度对NAGLE算法的优化。TCP_NODELAY本质在于立即发送，而TCP_CORK比NAGLE算法等待发送的时间更长，只有当数据包大于一个MSS或者取消了TCP_CORK选项时，才能发送[5]。

/* Flags in tp->nonagle */
#define TCP_NAGLE_OFF        1    /* Nagle's algo is disabled */
#define TCP_NAGLE_CORK        2    /* Socket is corked     */
#define TCP_NAGLE_PUSH        4    /* Cork is overridden for already queued data */

        NAGLE算法和DELAY ACK机制的分析至此告一段落。下面将针对各个不同版本的TCP协议进行分析讲解。

引用：
[1] http://www.cnblogs.com/zhaoyl/archive/2012/09/20/2695799.html 糊涂窗口综合症和nagle算法
[2] http://283631583.blog.163.com/blog/static/787455022008102505836334/ 糊涂窗口综合症和nagle算法
[3]  Nagle算法RFC标准896
[4] http://www.slyar.com/blog/c-operator-priority.html C算符优先级
[5]  TCP_CORK