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# 11 | 如何修改TCP缓冲区才能兼顾并发数量与传输速度？
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你好，我是陶辉。
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我们在[\[第8课\]](https://time.geekbang.org/column/article/236921) 中讲了如何从C10K进一步到C10M，不过，这也意味着TCP占用的内存翻了一千倍，服务器的内存资源会非常紧张。
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如果你在Linux系统中用free命令查看内存占用情况，会发现一栏叫做buff/cache，它是系统内存，似乎与应用进程无关。但每当进程新建一个TCP连接，buff/cache中的内存都会上升4K左右。而且，当连接传输数据时，就远不止增加4K内存了。这样，几十万并发连接，就在进程内存外又增加了GB级别的系统内存消耗。
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这是因为TCP连接是由内核维护的，内核为每个连接建立的内存缓冲区，既要为网络传输服务，也要充当进程与网络间的缓冲桥梁。如果连接的内存配置过小，就无法充分使用网络带宽，TCP传输速度就会很慢；如果连接的内存配置过大，那么服务器内存会很快用尽，新连接就无法建立成功。因此，只有深入理解Linux下TCP内存的用途，才能正确地配置内存大小。
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这一讲，我们就来看看，Linux下的TCP缓冲区该如何修改，才能在高并发下维持TCP的高速传输。
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## 滑动窗口是怎样影响传输速度的？
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我们知道，TCP必须保证每一个报文都能够到达对方，它采用的机制就是：报文发出后，必须收到接收方返回的ACK确认报文（Acknowledge确认的意思）。如果在一段时间内（称为RTO，retransmission timeout）没有收到，这个报文还得重新发送，直到收到ACK为止。
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**可见，TCP报文发出去后，并不能立刻从内存中删除，因为重发时还需要用到它。**由于TCP是由内核实现的，所以报文存放在内核缓冲区中，这也是高并发下buff/cache内存增加很多的原因。
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事实上，确认报文被收到的机制非常复杂，它受制于很多因素。我们先来看第一个因素，**速度**。
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如果我们发送一个报文，收到ACK确认后，再发送下一个报文，会有什么问题？显然，发送每个报文都需要经历一个RTT时延（RTT的值可以用ping命令得到）。要知道，因为网络设备限制了报文的字节数，所以每个报文的体积有限。
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比如，以太网报文最大只有1500字节，而发送主机到接收主机间，要经历多个广域网、局域网，其中最小的设备决定了网络报文的最大字节数，在TCP中，这个值叫做MSS（Maximum Segment Size），它通常在1KB左右。如果RTT时延是10ms，那么它们的传送速度最多只有1KB/10ms=100KB/s！可见，这种确认报文方式太影响传输速度了。
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**提速的方式很简单，并行地批量发送报文，再批量确认报文即可。**比如，发送一个100MB的文件，如果MSS值为1KB，那么需要发送约10万个报文。发送方大可以同时发送这10万个报文，再等待它们的ACK确认。这样，发送速度瞬间就达到100MB/10ms=10GB/s。
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然而，这引出了另一个问题，接收方有那么强的处理能力吗？**接收方的处理能力**，这是影响确认机制的第二个因素（网络也没有这么强的处理能力，下一讲会介绍应对网络瓶颈的拥塞控制技术）。
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当接收方硬件不如发送方，或者系统繁忙、资源紧张时，是无法瞬间处理这么多报文的。于是，这些报文只能被丢掉，网络效率非常低。怎么限制发送方的速度呢？
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**接收方把它的处理能力告诉发送方，使其限制发送速度即可，这就是滑动窗口的由来。**接收方根据它的缓冲区，可以计算出后续能够接收多少字节的报文，这个数字叫做接收窗口。当内核接收到报文时，必须用缓冲区存放它们，这样剩余缓冲区空间变小，接收窗口也就变小了；当进程调用read函数后，数据被读入了用户空间，内核缓冲区就被清空，这意味着主机可以接收更多的报文，接收窗口就会变大。
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因此，接收窗口并不是恒定不变的，那么怎么把时刻变化的窗口通知给发送方呢？TCP报文头部中的窗口字段，就可以起到通知的作用。
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当发送方从报文中得到接收方的窗口大小时，就明白了最多能发送多少字节的报文，这个数字被称为发送方的发送窗口。如果不考虑下一讲将要介绍的拥塞控制，发送方的发送窗口就是接收方的接收窗口（由于报文有传输时延，t1时刻的接收窗口在t2时刻才能到达发送端，因此这两个窗口并不完全等价）。
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从上图中可以看到，窗口字段只有2个字节，因此它最多能表达216 即65535字节大小的窗口（之所以不是65536，是因为窗口可以为0，此时叫做窗口关闭，上一讲提到的关闭连接时让FIN报文发不出去，以致于服务器的连接都处于FIN\_WAIT1状态，就是通过窗口关闭技术实现的），这在RTT为10ms的网络中也只能到达6MB/s的最大速度，在当今的高速网络中显然并不够用。
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[RFC1323](https://tools.ietf.org/html/rfc1323) 定义了扩充窗口的方法，但Linux中打开这一功能，需要把tcp\_window\_scaling配置设为1，此时窗口的最大值可以达到1GB（230）。
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net.ipv4.tcp_window_scaling = 1
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这样看来，只要进程能及时地调用read函数读取数据，并且接收缓冲区配置得足够大，那么接收窗口就可以无限地放大，发送方也就无限地提升发送速度。很显然，这是不可能的，因为网络的传输能力是有限的，当发送方依据发送窗口，发送超过网络处理能力的报文时，路由器会直接丢弃这些报文。因此，缓冲区的内存并不是越大越好。
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## 带宽时延积如何确定最大传输速度？
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缓冲区到底该设置为多大呢？我们知道，TCP的传输速度，受制于发送窗口与接收窗口，以及网络传输能力。其中，两个窗口由缓冲区大小决定（进程调用read函数是否及时也会影响它）。如果缓冲区大小与网络传输能力匹配，那么缓冲区的利用率就达到了最大值。
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怎样计算出网络传输能力呢？带宽描述了网络传输能力，但它不能直接使用，因为它与窗口或者说缓冲区的计量单位不同。带宽是单位时间内的流量 ，它表达的是速度，比如你家里的宽带100MB/s，而窗口和缓冲区的单位是字节。当网络速度乘以时间才能得到字节数，差的这个时间，这就是网络时延。
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当最大带宽是100MB/s、网络时延是10ms时，这意味着客户端到服务器间的网络一共可以存放100MB/s \* 0.01s = 1MB的字节。这个1MB是带宽与时延的乘积，所以它就叫做带宽时延积（缩写为BDP，Bandwidth Delay Product）。这1MB字节存在于飞行中的TCP报文，它们就在网络线路、路由器等网络设备上。如果飞行报文超过了1MB，就一定会让网络过载，最终导致丢包。
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由于发送缓冲区决定了发送窗口的上限，而发送窗口又决定了已发送但未确认的飞行报文的上限，因此，发送缓冲区不能超过带宽时延积，因为超出的部分没有办法用于有效的网络传输，且飞行字节大于带宽时延积还会导致丢包；而且，缓冲区也不能小于带宽时延积，否则无法发挥出高速网络的价值。
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## 怎样调整缓冲区去适配滑动窗口？
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这么看来，我们只要把缓冲区设置为带宽时延积不就行了吗？**比如，当我们做socket网络编程时，通过设置socket的SO\_SNDBUF属性，就可以设定缓冲区的大小。**
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然而，这并不是个好主意，因为不是每一个请求都能够达到最大传输速度，比如请求的体积太小时，在**慢启动**（下一讲会谈到）的影响下，未达到最大速度时请求就处理完了。再比如网络本身也会有波动，未必可以一直保持最大速度。
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**因此，时刻让缓冲区保持最大，太过浪费内存了。**
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到底该如何设置缓冲区呢？
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我们可以使用Linux的**缓冲区动态调节功能**解决上述问题。其中，缓冲区的调节范围是可以设置的。先来看发送缓冲区，它的范围通过tcp\_wmem配置：
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net.ipv4.tcp_wmem = 4096 16384 4194304
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其中，第1个数值是动态范围的下限，第3个数值是动态范围的上限。而中间第2个数值，则是初始默认值。
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发送缓冲区完全根据需求自行调整。比如，一旦发送出的数据被确认，而且没有新的数据要发送，就可以把发送缓冲区的内存释放掉。而接收缓冲区的调整就要复杂一些，先来看设置接收缓冲区范围的tcp\_rmem：
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net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 6291456
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它的数值与tcp\_wmem类似，第1、3个值是范围的下限和上限，第2个值是初始默认值。发送缓冲区自动调节的依据是待发送的数据，接收缓冲区由于只能被动地等待接收数据，它该如何自动调整呢？
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**可以依据空闲系统内存的数量来调节接收窗口。**如果系统的空闲内存很多，就可以把缓冲区增大一些，这样传给对方的接收窗口也会变大，因而对方的发送速度就会通过增加飞行报文来提升。反之，内存紧张时就会缩小缓冲区，这虽然会减慢速度，但可以保证更多的并发连接正常工作。
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发送缓冲区的调节功能是自动开启的，而接收缓冲区则需要配置tcp\_moderate\_rcvbuf为1来开启调节功能：
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net.ipv4.tcp_moderate_rcvbuf = 1
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接收缓冲区调节时，怎么判断空闲内存的多少呢？这是通过tcp\_mem配置完成的：
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net.ipv4.tcp_mem = 88560 118080 177120
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tcp\_mem的3个值，是Linux判断系统内存是否紧张的依据。当TCP内存小于第1个值时，不需要进行自动调节；在第1和第2个值之间时，内核开始调节接收缓冲区的大小；大于第3个值时，内核不再为TCP分配新内存，此时新连接是无法建立的。
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在高并发服务器中，为了兼顾网速与大量的并发连接，**我们应当保证缓冲区的动态调整上限达到带宽时延积，而下限保持默认的4K不变即可。而对于内存紧张的服务而言，调低默认值是提高并发的有效手段。**
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同时，如果这是网络IO型服务器，那么，**调大tcp\_mem的上限可以让TCP连接使用更多的系统内存，这有利于提升并发能力。**需要注意的是，tcp\_wmem和tcp\_rmem的单位是字节，而tcp\_mem的单位是页面大小。而且，**千万不要在socket上直接设置SO\_SNDBUF或者SO\_RCVBUF，这样会关闭缓冲区的动态调整功能。**
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## 小结
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我们对这一讲的内容做个小结。
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实现高并发服务时，由于必须把大部分内存用在网络传输上，所以除了关注应用内存的使用，还必须关注TCP内核缓冲区的内存使用情况。
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TCP使用ACK确认报文实现了可靠性，又依赖滑动窗口既提升了发送速度也兼顾了接收方的处理能力。然而，默认的滑动窗口最大只能到65KB，要想提升发送速度必须提升滑动窗口的上限，在Linux下是通过设置tcp\_window\_scaling为1做到的。
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滑动窗口定义了飞行报文的最大字节数，当它超过带宽时延积时，就会发生丢包。而当它小于带宽时延积时，就无法让TCP的传输速度达到网络允许的最大值。因此，滑动窗口的设计，必须参考带宽时延积。
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内核缓冲区决定了滑动窗口的上限，但我们不能通过socket的SO\_SNFBUF等选项直接把缓冲区大小设置为带宽时延积，因为TCP不会一直维持在最高速上，过大的缓冲区会减少并发连接数。Linux带来的缓冲区自动调节功能非常有效，我们应当把缓冲区的上限设置为带宽时延积。其中，发送缓冲区的调节功能是自动打开的，而接收缓冲区需要把tcp\_moderate\_rcvbuf设置为1来开启，其中调节的依据根据tcp\_mem而定。
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这样高效地配置内存后，既能够最大程度地保持并发性，也能让资源充裕时连接传输速度达到最大值。这一讲我们谈了内核缓冲区对传输速度的影响，下一讲我们再来看如何调节发送速度以匹配不同的网络能力。
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## 思考题
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最后，请你观察下Linux系统下，连接建立时、发送接收数据时，buff/cache内存的变动情况。用我们这一讲介绍的原理，解释系统内存的变化现象。欢迎你在留言区与我沟通互动。
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感谢阅读，如果你觉得这节课对你有一些启发，也欢迎把它分享给你的朋友。
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