高性能Linux：TCP/IP内核参数调优之TCP窗口扩大因子(TCP Window Scaling)选项(理论篇)

最新推荐文章于 2024-04-08 17:42:20 发布
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分类专栏： 高性能Linux 文章标签： TCP Linux Window Scaling 窗口扩大因子
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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/jinguangliu/article/details/88095618
本文介绍了TCP报文窗口字段及其限制，探讨了窗口大小对TCP性能的影响，并详细阐述了TCP窗口扩大因子的概念，以及在Linux系统中如何启用和调整这一选项，以提升网络传输性能。

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TCP报文窗口字段介绍

在TCP报文头部，有一个16比特的窗口字段，用来表示接受方的缓冲区大小，发送方可以根据这个值的大小来调节发送的数据量，从而起到流控的目的。
在这里插入图片描述
TCP的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供 。窗口大小为字节数 ，起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端期望接收的字节。窗口大小是一个16 bit字段，因而窗口大小最大为65535字节。

窗口大小对性能的影响

TCP基于通告窗口大小的机制，运行发送方在停止并等待确认前可以连续发送多个分组。由于发送方不必每发一个分组就停下来等待确认，因此该协议可以加速数据的传输。TCP传输速率和窗口大小成正相关，在某些情况下，提高窗口大小能够提高传输速率。但TCP窗口大小只有16bit，最大表示65535字节，对当前千兆接口已经是标配，在数据中心对服务器上开始部署10G接口的现实情况下，65535字节的窗口显然是不够的。

窗口扩大因子

TCP头部的最后一个选项字段(options)是可变长的可选信息。这部分最多包含40字节。RFC 7323 TCP Extension for High Performance中对相关选项进行了详细介绍，更详细信息可参考这个文档。
在这里插入图片描述
常见对TCP选项有7种，其中kind=3是窗口扩大因子选项。TCP连接初始化时，通信双方使用该选项来协商接收通过的窗口扩大因子。假设TCP头部中的通告窗口大小为N，窗口扩大因子（位移数）是M，那么TCP报文段的实际接收通告窗口大小为：N * (2 ** M)。M的取值范围为0 ～ 14。这样的话，通告窗口最大约为1GB

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TCP的Window Size和Scale参数对传输效率的影响
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TCP协议是可靠的通信协议，数据发送方发送给数据接收方的每一个包必须需要数据接收方返回对应的ACK，否则数据发送方就需要重传这个包。这个模式就有点像我和你面对面聊天，你一句我一句。但这种方式的缺点是效率比较低的。如果你说完一句话，我在处理其他事情，没有及时回复你，那你不是要干等着我做完其他事情后，我回复你，你才能说下一句话，很显然这不现实。这样的传输方式有一个缺点：数据包的往返时间越长，通信的效率就越低。为解决这个问题，TCP 引入了滑动窗口这个概念。
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TCP接收窗口--确定Window Scaling
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速读原著-TCP/IP(窗口扩大选项)
逍遥云恋
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Bob Liu的程序人生
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配置一下四个参数： sudo sysctl -w net.core.rmem_default=22000 sudo sysctl -w net.core.rmem_max=22000 sudo sysctl -w net.core.wmem_default=22000 sudo sysctl -w net.core.wmem_max=22000 查看配置： sudo sysctl -a | grep net.core 窗口扩展因子：设置为 0 sudo sysctl -w net.ipv4.t...
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linux下tcp滑动窗口大小设置,转：TCP滑动窗口协议与socket缓冲区之间的关系
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linux tcp 发送窗口大小,linux – tcp recv缓冲区和tcp接收窗口大小之间的区别？
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通过对TCPWindowSize的调整对网络流量的性能优化
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1. TCP参数简述 为改善终端用户对数据流量的要求，现对TCP的参数做简单的分析，并通过TCP参数的调整，以期达到提高用户使用感知度的目的。 TCP参数如下: • MTU─The Maximum Transfer Unit • TCP1323Opts─ RFC 1323 TCP options: window scaling and timestamp • MaxDupAcks─Maximum duplicate acknowledgements • TCPWindow...
为什么tcp window scaling可以提高网络带宽？
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TCP刚发明的时候，全世界的网络带宽都很小，所以最大的接受窗口被定义成65535字节，随着硬件的革命性进步，65535已经成为性能瓶颈，而TCP头只给接收窗口值留了16bit，解决方案就是在三次握手时是，把自己的Window Scale告知对方。Window Scale放在TCP头之外的Options中，向对方声明一个Shilt count，把它作为2的指数，再剩以TCP头中定义的接收窗口，就得到真正的TCP接收窗口了。 103.86.70.43 告诉 192.168.9.135 它的Shilt count
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01-09 767
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net.ipv4.tcp_window_scaling = 1的情况下是按照最大的窗口生效吗
最新发布
07-14
<think>我们正在讨论当`net.ipv4.tcp_window_scaling = 1`（即启用TCP窗口缩放）时，TCP窗口大小是否使用系统允许的最大值。 根据RFC 1323（TCP Extensions for High Performance）和Linux内核实现，当启用窗口缩放时，TCP窗口大小可以超过64KB的限制，但实际生效的窗口大小并不是直接取系统允许的最大值，而是由多个因素共同决定。 关键点： 1. TCP窗口缩放允许通过缩放因子（window scaling factor）将通告窗口（advertised window）扩展到16位以上（最多30位，即1GB）。 2. 实际生效的接收窗口大小（rcv_wnd）由以下因素共同决定： a) 接收缓冲区大小（由`tcp_rmem`参数决定，特别是最大值`tcp_rmem[2]`） b) 当前网络拥塞状况（通过拥塞控制算法调整） c) 对端的接收窗口缩放能力（在TCP三次握手时通过选项协商） 具体过程： 步骤1：系统根据`tcp_rmem`参数动态调整接收缓冲区大小。 - `tcp_rmem`是一个包含三个值的数组：min, default, max（单位：字节） - 例如：`net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 4194304` 表示最小4KB，默认85KB，最大4MB。 步骤2：在连接建立时（TCP三次握手），双方通过TCP选项交换窗口缩放因子（Window Scale Option）。 - 缩放因子（s）是一个0到14之间的整数，表示窗口可以向左移动的位数（即乘以$2^s$）。 - 实际的窗口大小 = 通告窗口值（16位） * $2^s$。 步骤3：内核根据当前可用的接收缓冲区空间、内存压力以及拥塞控制状态，动态调整实际通告的窗口大小。 - 窗口大小不会超过`tcp_rmem[2]`（接收缓冲区最大值）和对方通告的缩放因子所允许的最大值。 因此，启用窗口缩放后，TCP窗口大小并不是直接使用系统允许的最大值，而是由以下公式动态决定： $$实际接收窗口 = \min( \text{接收缓冲区分配大小}, 2^{30} ) \quad \text{（因为缩放因子最大为14，所以最大窗口为1GB）}$$ 但是，接收缓冲区分配大小本身也是动态调整的，它会根据网络条件（如带宽延迟积）在`tcp_rmem[0]`和`tcp_rmem[2]`之间变化。 验证方法： 使用`ss -it`命令查看已建立的TCP连接： ```bash ss -it ``` 输出示例： ``` State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port ESTAB 0 0 192.168.1.10:ssh 192.168.1.20:12345 ... rto:201 rtt:0.8/0.2 ato:40 mss:1448 cwnd:10 ssthresh:7 send 2.5Mbps rcv_space:29200 ``` 其中`rcv_space`表示当前接收窗口大小（单位：字节）。注意，这个值可能会随着网络条件变化。 结论： 启用窗口缩放（`tcp_window_scaling=1`）后，TCP窗口大小可以超过64KB，但实际大小是动态调整的，不会固定为系统允许的最大值（即`tcp_rmem[2]`），而是根据当前连接的实际需要（如接收缓冲区的使用情况、内存压力、带宽延迟积等）在不超过`tcp_rmem[2]`的范围内动态调整。 配置建议： 为了在高带宽延迟积（BDP）网络中达到最佳性能，应确保： - 接收缓冲区最大值（`tcp_rmem[2]`）足够大，至少大于带宽延迟积（BDP = 带宽(bps) × 往返时间(秒) / 8） - 启用窗口缩放（`tcp_window_scaling=1`，默认启用） 例如，对于10Gbps带宽、1ms RTT的网络，BDP约为1.25MB（10e9 bps * 0.001秒 / 8 = 1.25e6字节）。因此，`tcp_rmem[2]`应至少设置为1.25MB或更大。 引用说明： 根据引用[1]：TCP窗口扩大因子功能缺省是使能的（从Linux内核2.6.8以后）。可以通过`/proc/sys/net/ipv4/tcp_window_scaling`来设置。 因此，用户的问题答案：当启用TCP窗口缩放时，TCP窗口大小可以超过64KB，但实际生效的窗口大小是动态调整的，不会固定为系统允许的最大值，而是根据当前连接的实际情况（接收缓冲区大小、内存压力、带宽延迟积等）在不超过`tcp_rmem[2]`的范围内调整。 相关问题： 1. 如何验证Linux系统中TCP窗口缩放功能是否实际生效？ 2. 高延迟网络中如何计算TCP窗口大小与吞吐量的关系？ 3. 除了窗口缩放，Linux还有哪些优化高带宽网络传输的TCP参数？ 4. 如何根据网络带宽和延迟调整TCP接收缓冲区大小？</think>当 `net.ipv4.tcp_window_scaling = 1`（启用TCP窗口缩放）时，TCP窗口大小**不会直接使用系统允许的最大值**，而是通过动态计算确定实际生效窗口。具体机制如下： ### 一、窗口缩放生效时的核心逻辑 1. **窗口扩展机制** 启用窗口缩放后（RFC 1323）： - TCP头部中的16位窗口字段通过**缩放因子（Window Scale Factor）** 扩展为30位 - 实际窗口大小 = 通告窗口值 × $2^{\text{缩放因子}}$ - 最大理论窗口可达 $2^{30} \approx 1$ GB（Linux默认上限） 2. **动态调整规则** 实际生效窗口由以下公式动态计算： $$ \text{生效窗口} = \min\left( \text{接收缓冲区大小}(tcp\_rmem[2]), \text{带宽延迟积}(BDP), 2^{30} \right) $$ 其中： - $tcp\_rmem[2]$：接收缓冲区最大值（默认值通常为4MB） - $BDP = \text{带宽} \times \text{RTT}$：带宽延迟积（Bandwidth-Delay Product） --- ### 二、关键参数交互关系 | 参数 | 作用 | 典型值 | 约束条件 | |------|------|--------|----------| | **窗口缩放因子** | 窗口扩展倍数 | 0-14（由内核自动计算） | 在SYN/SYN-ACK中协商确定[^1] | | **tcp_rmem[2]** | 接收缓冲区上限 | 默认4194304（4MB） | `/proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem` | | **实际带宽延迟积** | 网络管道容量 | 例如：10Gbps × 50ms = 62.5MB | 动态测量（通过RTT和吞吐量） | > ⚠️ **注意**：即使缓冲区设置为4MB，若实际BDP只有1MB，生效窗口仍为1MB --- ### 三、验证方法（通过`ss`命令） ```bash ss -it dst <目标IP> # 输出示例： # rto:201 rtt:0.8/0.2 ato:40 mss:1448 # cwnd:10 wscale:8,7 rcv_space:1310720 ``` 关键字段解读： - **`wscale:8,7`** 发送方缩放因子=8（$2^8=256$），接收方缩放因子=7（$2^7=128$） - **`rcv_space:1310720`** 实际生效接收窗口 = 1,310,720 字节 ≈ 1.25MB --- ### 四、配置建议 ```bash # 查看当前接收缓冲区设置 cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem # 输出：4096 87380 4194304 # 最小/默认/最大值(字节) # 永久修改缓冲区最大值（例如设为16MB） echo "net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 16777216" >> /etc/sysctl.conf sysctl -p ``` > **最佳实践**： > 1. 保持`tcp_window_scaling=1`（默认启用） > 2. 根据网络带宽延迟积调整`tcp_rmem[2]` > 3. 高BDP网络需满足：$tcp\_rmem[2] \geq \frac{\text{带宽(bps)} \times \text{RTT(秒)}}{8}$ --- ### 五、性能影响示例 假设10Gbps网络，RTT=50ms： - **理论BDP** = $\frac{10 \times 10^9 \times 0.05}{8} = 62.5$ MB - **若缓冲区限制为4MB**： 最大吞吐 = $\frac{4 \text{MB} \times 8}{0.05} = 640$ Mbps（仅利用6.4%带宽） - **若缓冲区设为64MB**： 可达到近10Gbps线速 因此，启用窗口缩放后，**实际窗口取系统允许最大值、BDP、缓冲区上限三者中的最小值**，而非直接使用最大值。 [^1]: 窗口缩放因子在TCP三次握手时通过TCP选项协商，由内核自动计算。 [^2]: 带宽延迟积(BDP)决定了网络管道容量，是窗口大小的理论下限。
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