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分类: 网络与安全

2016-05-10 12:48:31

原文地址:TCP避免分片! 作者:流云哭翠

          我们知道,当应用层程序之间进行网络数据传输时,在发送端,数据会从应用层沿着协议栈向下传输,通过TCP/IP层,然后经由链路层发送出去,而在接收端,则是相反的顺序,数据经由链路层接收,然后沿着协议栈向上传输,通过IP/TCP层,最后由应用层程序进行读取。

 


 

而在IP层往链路层传输数据的时候,往往会做一个分片的操作,对于大多数链路层来讲,它都有一个最大传输单元(MTU),表示能够发送数据量的大 小,它是由硬件决定的。比如以太网的MTU为1500字节。当IP层传输给链路层的数据量大于其MTU时,那么IP层就会将数据拆分为小于其链路层MTU 的数据片,再传输给链路层进行发送。

 


但是对于不同的传输层协议(TCP/UDP)来说,在IP层上,需不需要进行分片是不同的。

 

TCP层的分片

 

对于TCP来说,它是尽量避免分片的,为什么?因为如果在IP层进行分片了话,如果其中的某片的数据丢失了,对于保证可靠性的TCP协议来说,会增 大重传数据包的机率,而且只能重传整个TCP分组(进行IP分片前的数据包),因为TCP层是不知道IP层进行分片的细节的,也不关心。

 

当TCP层进行TCP分组的重传后,还会直接影响到应用层程序的性能,特别是在应用程序使用阻塞IO进行读写的时候。要理解这点,首先我们要知道当应用层程序往TCPIP协议栈写数据的时候都做了些什么事。

 

在应用层程序中,我们可以有自己的发送缓冲区,而TCP层本身也有自己的一个发送缓冲区,在JAVA中,可以通过设置Socket的 SO_SNDBUF选项来设置,默认情况下一般是8k大小。 当我们在应用层往TCP层写数据(比如outputstream.write())的时候,实际上是将应用层发送缓冲区的数据拷贝到TCP层的发送缓冲区 中。当TCP层的发送缓冲区满或者网络空闲时,TCP层就会将其缓冲区中的数据通过IP层传到链路层的发送队列中。如果TCP层的发送缓冲区满而且应用层 的数据没有写完时,内核会将write系统调用挂起,并不返回给应用层程序,直到应用层的数据全部拷贝到TCP层的缓冲区中。而由于TCP层要保证数据包 的可靠性,即数据包丢失时要进行重传,那么TCP层在往网络发送TCP分组后,需要在其发送缓冲区中暂时保存发出的TCP分组数据用于后续可能的重传。

 


 

在这样的前提下,如果IP对来自TCP层的数据进行了分片, 那么就有可能使得应用层程序一直在write系统调用处挂起等待,引起性能的下降。

 

 

TCP层如何避免IP层的分片

首先,我们先回顾下TCP建立连接的3次握手:

 


在这3次握手中,除了确认SYN分节外,通信的两端还进行协商了一个值,MSS,这个值用来告诉对方,能够发送的TCP分节的大小。这个值一般是取其链路层的MTU大小减去TCP头部大小和IP头部的大小。MSS=MTU-TCP头部大小-IP头部大小. MTU的值可以通过询问链路层得知。

 

当两端确认好MSS后进行通信,当TCP层往IP层传输数据时,如果TCP层缓冲区的大小大于MSS,那么TCP层都会将其发送缓冲区中的数据切分 成MSS大小的分组进行传输,由于MSS是通过MTU减去TCP头部大小和IP头部的大小计算得出的,MSS肯定比MTU小,那么到IP层的时候就可以避 免IP层的分片。

 

 

 

UDP层的分片

如果我们采用的是UDP协议而不是TCP协议呢?在IP层会不会进行分片?由于UDP是不需要保证可靠性的,那么它就不会保存发送的数据包,TCP 之所以保存发送的数据包是因为要进行重传。所以UDP本身是没有像TCP一样的发送缓冲区的。这就导致了对UDP进行write系统调用的时候,实际上应 用层的数据是直接传输到IP层,由于IP层本身也不会有缓冲区,数据就会直接写到链路层的输出队列中。

 

在这种情况下,IP层会不会对来自UDP的数据进行分片呢?这个取决于UDP数据报的大小。如果UDP数据报的大小大于链路层的MTU,那么IP层就会直接进行分片,然后在发送到链路层的输出队列中,反之,则不会进行分片,直接加上IP头部发送到链路层的输出队列中。

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