【系统软件工程师面试】2. 网络部分

1. 值 得一说的是，对于基于TCP的HTTP协议，关闭TCP连接的是Server端，这样，Server端会进入TIME_WAIT状态，可 想而知，对于访 问量大的Web Server，会存在大量的TIME_WAIT状态，假如server一秒钟接收1000个请求，那么就会积压 240*1000=240，000个 TIME_WAIT的记录，维护这些状态给Server带来负担。当然现代操作系统都会用快速的查找算法来管理这些 TIME_WAIT，所以对于新的 TCP连接请求，判断是否hit中一个TIME_WAIT不会太费时间，但是有这么多状态要维护总是不好。  
2. HTTP协议1.1版规定default行为是Keep-Alive，也就是会重用TCP连接传输多个 request/response，一个主要原因就是发现了这个问题。  

1. #对于一个新建连接，内核要发送多少个 SYN 连接请求才决定放弃,不应该大于255，默认值是5，对应于180秒左右时间   
2. net.ipv4.tcp_syn_retries=2  
3. #net.ipv4.tcp_synack_retries=2  
4. #表示当keepalive起用的时候，TCP发送keepalive消息的频度。缺省是2小时，改为300秒  
5. net.ipv4.tcp_keepalive_time=1200  
6. net.ipv4.tcp_orphan_retries=3  
7. #表示如果套接字由本端要求关闭，这个参数决定了它保持在FIN-WAIT-2状态的时间  
8. net.ipv4.tcp_fin_timeout=30    
9. #表示SYN队列的长度，默认为1024，加大队列长度为8192，可以容纳更多等待连接的网络连接数。  
10. net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 4096  
11. #表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理，可防范少量SYN攻击，默认为0，表示关闭  
12. net.ipv4.tcp_syncookies = 1  
13.   
14. #表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭  
15. net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1  
16. #表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭  
17. net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1  
18.   
19. ##减少超时前的探测次数   
20. net.ipv4.tcp_keepalive_probes=5   
21. ##优化网络设备接收队列   
22. net.core.netdev_max_backlog=3000   

TCP_NODELAY
If set, disable the Nagle algorithm. This means that segments are always sent as soon as possible, even if there is only a small amount of data. When not set, data is buffered until there is a sufficient amount to send out, thereby avoiding the frequent sending of small packets, which results in poor utilization of the network. This option is overridden by TCP_CORK; however, setting this option forces an explicit flush of pending output, even if TCP_CORK is currently set.

if there is new data to send
  if the window size >= MSS and available data is >= MSS
    send complete MSS segment now
  else
    if there is unconfirmed data still in the pipe
      enqueue data in the buffer until an acknowledge is received
    else
      send data immediately
    end if
  end if
end if

The user-level solution is to avoid write-write-read sequences on sockets. write-read-write-read is fine. write-write-write is fine. But write-write-read is a killer. So, if you can, buffer up your little writes to TCP and send them all at once. Using the standard UNIX I/O package and flushing write before each read usually works.

连续进行多次对小数据包的写操作，然后进行读操作，本身就不是一个好的网络编程模式；在应用层就应该进行优化。
对于既要求低延时，又有大量小数据传输，还同时想提高网络利用率的应用，大概只能用UDP自己在应用层来实现可靠性保证了。好像企鹅家就是这么干的。

滑动窗口与流量控制

https://www.zhihu.com/question/264518499

拥塞控制的算法

我们在开始假定：1、数据是单方向传递，另一个窗口只发送确认；2、接收方的缓存足够大，因此发送方的大小的大小由网络的拥塞程度来决定。

（一）慢开始算法：

发送方维持一个叫做拥塞窗口cwnd（congestion window）的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口，另外考虑到接受方的接收能力，发送窗口可能小于拥塞窗口。

慢开始算法的思路就是，不要一开始就发送大量的数据，先探测一下网络的拥塞程度，也就是说由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。

这里用报文段的个数作为拥塞窗口的大小举例说明慢开始算法，实际的拥塞窗口大小是以字节为单位的。如下图：

从上图可以看到，一个传输轮次所经历的时间其实就是往返时间RTT，而且没经过一个传输轮次（transmission round），拥塞窗口cwnd就加倍。

为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，还需设置一个慢开始门限ssthresh状态变量。ssthresh的用法如下：当cwnd<ssthresh时，使用慢开始算法。
当cwnd>ssthresh时，改用拥塞避免算法。
当cwnd=ssthresh时，慢开始与拥塞避免算法任意

注意，这里的“慢”并不是指cwnd的增长速率慢，而是指在TCP开始发送报文段时先设置cwnd=1，然后逐渐增大，这当然比按照大的cwnd一下子把许多报文段突然注入到网络中要“慢得多”。

（二）拥塞避免算法：

拥塞避免算法让拥塞窗口缓慢增长，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍。这样拥塞窗口按线性规律缓慢增长。

无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（其根据就是没有按时收到确认，虽然没有收到确认可能是其他原因的分组丢失，但是因为无法判定，所以都当做拥塞来处理），就把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半（但不能小于2）。然后把拥塞窗口cwnd重新设置为1，执行慢开始算法。这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕。

整个拥塞控制的流程如下图：

（1）拥塞窗口cwnd初始化为1个报文段，慢开始门限初始值为16
（2）执行慢开始算法，指数规律增长到第4轮，即cwnd=16=ssthresh，改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长
（3）假定cwnd=24时，网络出现超时（拥塞），则更新后的ssthresh=12，cwnd重新设置为1，并执行慢开始算法。当cwnd=12=ssthresh时，改为执行拥塞避免算法

关于 乘法减小（Multiplicative Decrease）和加法增大（Additive Increase）：

“乘法减小”指的是无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞，就把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半，并执行慢开始算法，所以当网络频繁出现拥塞时，ssthresh下降的很快，以大大减少注入到网络中的分组数。“加法增大”是指执行拥塞避免算法后，使拥塞窗口缓慢增大，以防止过早出现拥塞。常合起来成为AIMD算法。

注意：“拥塞避免”并非完全能够避免了阻塞，而是使网络比较不容易出现拥塞。

（三）快重传算法：

快重传要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方，可提高网络吞吐量约20%）而不要等到自己发送数据时捎带确认。快重传算法规定，发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。如下图：

（四）快恢复算法：

快重传配合使用的还有快恢复算法，有以下两个要点：

当发送方连续收到三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法，把ssthresh门限减半（为了预防网络发生拥塞）。但是接下去并不执行慢开始算法
考虑到如果网络出现拥塞的话就不会收到好几个重复的确认，所以发送方现在认为网络可能没有出现拥塞。所以此时不执行慢开始算法，而是将cwnd设置为ssthresh减半后的值，然后执行拥塞避免算法，使cwnd缓慢增大。如下图：TCP Reno版本是目前使用最广泛的版本。

注意：在采用快恢复算法时，慢开始算法只是在TCP连接建立时和网络出现超时时才使用

 通俗的解释拥塞控制：