仔細看參數--NGINX之tcp_nodelay

一、知識准備

● 在nginx優化中有個經常需要設置的參數，tcp_nodelay
● 該參數最核心的功能，就是把小包組成成大包，提高帶寬利用率也就是著名的nagle算法
● tcp協議中，有一個現象：應用層數據可能很低（比如1個字節），而傳輸層開銷有40字節(20字節的IP頭+20字節的TCP頭)。這種情況下大部分都是控制包的傳輸，既加大了帶寬的消耗，帶寬利用率也不高
● nagle算法就是為了解決這個問題。在發出去的數據還未被確認之前，或者說還沒有收到對端的ack之前，新生成的小包是不允許被發送的，必須要湊滿一個MSS或者等到收到確認后再發送，直至超時

二、環境准備

組件	版本
OS	Ubuntu 18.04.1 LTS
docker	18.06.0-ce

客戶端 : 192.168.17.171
服務端 : 192.168.17.173

三、打開nagle算法

192.168.17.173，先准備一個nginx配置文件，並且打開nagle算法，設置tcp_nodelay off;

root@k8s-node2:/tmp# more nginx.conf
user  nginx;
worker_processes  1;

error_log  /var/log/nginx/error.log warn;
pid        /var/run/nginx.pid;


events {
    worker_connections  1024;
}


http {
    include       /etc/nginx/mime.types;
    default_type  application/octet-stream;

    log_format  main  '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" '
                      '$status $body_bytes_sent "$http_referer" '
                      '"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"';

    access_log  /var/log/nginx/access.log  main;

    sendfile        on;
    tcp_nodelay off;

    keepalive_timeout  65;

    include /etc/nginx/conf.d/*.conf;
}

啟動容器

root@k8s-node2:/tmp# docker run -d --name nginx_delay -v /tmp/nginx.conf:/etc/nginx/nginx.conf -p 80:80 nginx:latest
6b7d5a5d3c3ed021fed6847d138837754c5732979d1c829ec62107ec80440db8
root@k8s-node2:/tmp# docker ps | grep nginx_delay
6b7d5a5d3c3e        nginx:latest                                                        "nginx -g 'daemon of…"   7 seconds ago       Up 6 seconds        0.0.0.0:80->80/tcp   nginx_delay

首先使用tcpdump抓取本機的80端口的流量：

root@k8s-node2:/tmp# tcpdump -i ens3 port 80 -afexnnvv -w nginx_ab.cap

在192.168.17.171，使用ab壓測工具對該端口進行放量

注意：必須使用 -k 參數，使用keepalived模式下才能模擬出nagle算法

root@k8s-node2:~# ab -n 1000 -c 100 -k http://127.0.0.1/
This is ApacheBench, Version 2.3 <$Revision: 1807734 $>
Copyright 1996 Adam Twiss, Zeus Technology Ltd, http://www.zeustech.net/
Licensed to The Apache Software Foundation, http://www.apache.org/

...
Time per request:       44.619 [ms] (mean)
...

過濾掉大量信息，我們來到這個指標Time per request，無論怎么測試，平均延時總是在40ms左右

我們來看下抓包信息，使用wireshark打開

在大量的數據包中，我們先處理一下數據包，隨便選取一個syn，選取與該syn對應的tcp流

選取一個片段來分析

● 在Linux中，默認打開了延遲確認，所謂延遲確認，即不是收到每個請求都發送一次ack，而是等待一段時間，如果這段時間正好有包需要發送，就坐着“順風車”一起發出，否則超時后單獨發送。所以客戶端會等待40ms，再發送這個ack
● 由於nginx也設置了nagle算法，如果沒有收到ack，它會等着包的到來，所以就會呈現這個樣子
    （1）192.168.17.171首先發送一個http get請求（677號包）
    （2）192.167.17.173發送PSH，ACK（999號包）
    （3）此時由於Linux默認打開延遲確認，192.168.17.171會等待40ms，看看有沒有“順風車”；而192.168.17.173上的nginx由於關閉了tcp_nodelay，它也會等待着ack的到來再回應
    （4）40ms過后，192.168.17.171沒有等到“順風車”，此時發送ack（1109號包）
    （5）192.168.17.173收到ack后發送了http 200（1118號包）
    （6）192.168.17.171收到數據之后發送確認ack（1127號包）

192.168.17.171:47388                        192.168.17.173:80
     +-------+                                 +--------+
     |       |       no.677  http get          |        |
     |       +--------------------------------->        |
     |       |                                 |        |
     |       |       no.999  PSH,ACK           |        |
     |       <---------------------------------+        |
     |       |                                 |        |
     |       |                                 |        |
     |       |                                 |        |
     |       |          delay 40ms             |        |
     |       |                                 |        |
     |       |                                 |        |
     |       |                                 |        |
     |       |       no.1109  ACK              |        |
     |       +--------------------------------->        |
     |       |                                 |        |
     |       |       no.1118  http 200         |        |
     |       <---------------------------------+        |
     |       |                                 |        |
     |       |       no.1127  ACK              |        |
     |       +--------------------------------->        |
     |       |                                 |        |
     |       |                                 |        |
     +-------+                                 +--------+

四、關閉nagle

只需要設置tcp_nodelay on;

root@k8s-node2:/tmp# sed -i '/tcp_nodelay/s/off/on/g' nginx.conf
root@k8s-node2:/tmp# docker rm -f nginx_delay
nginx_delay
root@k8s-node2:/tmp# docker run -d --name nginx_delay -v /tmp/nginx.conf:/etc/nginx/nginx.conf -p 80:80 nginx:latest
bac9bcf7a6e392a7a07afae165c3d5b4e3fb2fc43d3470f35802e12d1e7ae70d

再用ab測試：

root@k8s-node2:~# ab -n 1000 -c 100 -k http://127.0.0.1/
This is ApacheBench, Version 2.3 <$Revision: 1807734 $>
Copyright 1996 Adam Twiss, Zeus Technology Ltd, http://www.zeustech.net/
Licensed to The Apache Software Foundation, http://www.apache.org/

...
Time per request:       14.285 [ms] (mean)
...

再來觀察抓包的結果：

● 由於客戶端依然打開了延遲確認，所以192.168.17.171收到數據包之后依然沒有及時回應
● 但是nginx，tcp_nodelay on，所以192.168.17.173收到數據包后會立即響應ack
● 192.168.17.171收到之后，已經有2個沒有確認的數據包了，所以會立即發送ack進行確認：
    （1）192.168.17.171首先發送一個http get請求（447號包）
    （2）192.168.17.173收到之后立即響應psh,ack（740號包）
    （3）192.168.17.173發送http 200（741號包）
    （4）192.168.17.171回應ack（742號包）

192.168.17.171:49718                        192.168.17.173:80
     +-------+                                 +--------+
     |       |       no.447  http get          |        |
     |       +--------------------------------->        |
     |       |                                 |        |
     |       |       no.740  PSH,ACK           |        |
     |       <---------------------------------+        |
     |       |                                 |        |
     |       |       no.741  http 200          |        |
     |       <---------------------------------+        |
     |       |                                 |        |
     |       |       no.742  ACK               |        |
     |       +--------------------------------->        |
     |       |                                 |        |
     |       |                                 |        |
     +-------+                                 +--------+

五、小結

● 本文復現了經典的40ms問題
● 本文中提到了2個名詞，nagle算法與延遲確認，它們看上去很相似，但是並不一樣。nagle算法是需要等到對端ack來臨，或者湊滿一個mss之后才發送數據包；而延遲確認針對的是ack，ack會等待“順風車”，如果有，就乘坐順風車發送，否則等待超時之后單獨發送
● 本文中延遲確認是Linux默認打開的功能，所以在實驗中，客戶端都會有延時確認的情況，要關閉客戶端延遲確認，需要設置setsockopt中的TCP_QUICKACK
● 本文中主要討論的是nginx的nagle算法，nagle算法完全由tcp協議的ack機制決定，如果對端ACK回復很快的話，nagle事實上不會拼接太多的數據包，雖然避免了網絡擁塞，網絡總體的利用率依然很低
● nagle算法在與延遲確認互相作用的情況下，會產生嚴重的延時效果，這是需要警惕的
● nginx中是否打開nagle算法，要取決於業務場景。比如在實驗中看到：
    （1）tcp_nodelay off，會增加通信的延時，但是會提高帶寬利用率。在高延時、數據量大的通信場景中應該會有不錯的效果
    （2）tcp_nodelay on，會增加小包的數量，但是可以提高響應速度。在及時性高的通信場景中應該會有不錯的效果

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至此，本文結束
在下才疏學淺，有撒湯漏水的，請各位不吝賜教...