TCP性能优化之避免慢启动

TCP协议中有个慢启动，在《TCP/IP详解卷一》中占据的篇幅很小，但是这个东西，在某些业务场景下，对性能的影响非常大。

什么是慢启动

最初的TCP的实现方式是，在连接建立成功后便会向网络中发送大尺寸的数据包，假如网络出现问题，很多这样的大包会积攒在路由器上，很容易导致网络中路由器缓存空间耗尽，从而发生拥塞。因此现在的TCP协议规定了，新建立的连接不能够一开始就发送大尺寸的数据包，而只能从一个小尺寸的包开始发送，在发送和数据被对方确认的过程中去计算对方的接收速度，来逐步增加每次发送的数据量（最后到达一个稳定的值，进入高速传输阶段。相应的，慢启动过程中，TCP通道处在低速传输阶段），以避免上述现象的发生。这个策略就是慢启动。
画个简单的图从原理上粗略描述一下

慢启动引起的性能问题

在海量用户高并发访问的大型网站后台，有一些基本的系统维护需求。比如迁移海量小文件，就是从一些机器拷贝海量小碎文件到另一些机器，来完成一些系统维护的基本需求。
请不要小看这样的需求，这是服务器领域乃至云计算领域几个最复杂的问题之一，量变到质变，由量大引起的难题。今天在我这篇文章中，我只说这个如何避免慢启动来提升TCP层的传输加速问题。
言归正传，慢启动为什么会对拷贝海量小文件的需求造成重大性能损失？
举个简单的例子，我们对每个文件都采用独立的TCP连接来传输（循环使用scp拷贝就是这个例子的实际场景，很常见的用法）。那么工作过程应该是，每传输一个文件建立一个连接，然后连接处于慢启动阶段，传输小文件，每个小文件几乎都处于独立连接的慢启动阶段被传输，这样传输过程所用的TCP包的总量就会增多。更细致的说一说这个事，如果在慢启动过程中传输一个小文件，我们可能需要2至3个小包，而在一个已经完成慢启动的TCP通道中（TCP通道已进入在高速传输阶段），我们传输这个文件可能只需要1个大包。网络拷贝文件的时间基本上全部消耗都在网络传输的过程中（发数据过去等对端ACK，ACK确认归来继续再发，这样的数据来回交互相比较本机的文件读写非常耗时间），撇开三次握手和四次握手那些包，粗略来说，慢启动阶段传输这些文件所用的包的数目是高速通道传输这些文件的包的数目的2-3倍！那么时间上应该也是2-3倍的关系！如果文件的量足够大，这个总时间就会被放大到需求难以忍受的地步。
因此，在迁移海量小文件的需求下，我们不能使用“对每个文件都采用独立的TCP连接来传输（循环使用scp拷贝）“这样的策略，它会使每个文件的传输都处于在一个独立TCP的慢启动阶段。

如何避免慢启动，进而提升性能

很简单，尽量把大量小文件放在一个TCP连接中排队传输。起初的一两个文件处于慢启动过程传输，后续的文件传输全部处于高速通道中传输，用这样的方式来减少发包的数目，进而降低时间消耗。
题外话，实际上这种传输策略带来的性能提升的功劳不仅仅归于避免慢启动，事实上也避免了大量的3次握手和四次握手，这个对海量小文件传输的性能消耗也非常致命，但是这是另一个问题，本篇不多加介绍。
随着多核服务器的兴起，以及现代网卡的多通道技术的迅猛发展，现在我们解决这一问题的通常做法是绑定多CPU的多核到网卡的多个通道，然后由CPU的核来均分传输这些小文件，每个核用一个TCP连接来排队发送分到的小文件。
讲到这儿，我想大家对于大文件的传输策略应该也心里有数了，（不考虑网卡带宽的前提下）就是分块传输，在目标机器合并。

后续我会专门介绍利用网卡多通道提升服务器性能。