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TCP Fast Open(TFO)

作者:易隐者 发布于:2013-1-10 15:22 Thursday 分类:网络分析

【说在之前】:

我在之前的博客文章《非标准TCP三次握手建立连接过程一例》一文中提到了非标准的TCP三次握手行为,今天在微博上看到有人转发有关TCP Fast Open(TFO)的文章,大致看了一下,了解到所谓的TCP Fast Open(TFO)就是利用三次握手的SYN报文来传输应用数据,也就是说,允许SYN报文中包含应用数据。这样做的好处是在客户端与服务器的交互过程中减少一个RTT来提高交互的效率,如此来看,TCP Fast Open(TFO)就是一个最为典型的非标准TCP行为,但是这种非标准的TCP行为由于其特性优势使其将成为国际标准,其具体的交互过程和原理大家可参考下面的文章和相关链接。

【原文链接】:

http://blog.sina.com.cn/s/blog_583f42f101011veh.html

【原文全文】:

    Google近日正式公布了TFO的paper,地址:http://static.googleusercontent.com/external_content/untrusted_dlcp/research.google.com/zh-CN/us/pubs/archive/37517.pdf

    Google研究发现TCP三次握手是页面延迟时间的重要组成部分,所以他们提出了TFO:在TCP握手期间交换数据,这样可以减少一次RTT。根据测试数据,TFO可以减少15%的HTTP传输延迟,全页面的下载时间平均节省10%,最高可达40%。

    目前互联网上页面平均大小为300KB,单个object平均大小及中值大小分别为7.3KB及2.4KB。所以在这种情况下,多一次RTT无疑会造成很大延迟。

    在HTTP/1.1中,我们有了keep-alive。但实际应用并不理想,根据Google对一个大型CDN网络的统计,平均每次建连只处理了2.4个请求。

    为了证实TCP三次握手是目前页面访问的重要性能瓶颈之一,Google工程师分析了Google的web服务器日志及Chrome浏览器统计数据。

    2011年6月,对Google web服务器进行连续7天数十亿次针对80端口的请求分析,包括搜索、Gmail、图片等多个服务。其中第一次建连被称为cold requests,复用连接的请求称为warm requests。

    图中描述了在cold requests及all requests中TCP握手时间在整个延迟时间中的占比。在cold requests中,TCP握手时间占延迟时间的8%-28%;即使统计所有的请求,TCP握手时间也占到了延迟时间的5%-7%。

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    对Chrome浏览器的统计持续了28天,当然仅限于愿意发送统计数据的用户。经过分析,即使打开了keep-alive,仍有33%的请求建立了新连接。主要原因可能为:为了加快下载速度,新版的浏览器对单个域名都会并行打开6-10个连接;而网页设计时也会把元素分配到多个域名上;NAT也可能关闭keep-alive;而手机端为了节省电源,也会尽快关闭空闲连接。

    图中对比了三条线,一条为all requests;一条为cold request;而cold req no hsk代表去除了TCP握手时间的cold requests延迟数据。Y轴把所有采样数据按数值分布到各个百分比区间。

对比证明:cold requests基本比all requests慢50%,而TCP握手时间在cold requests延迟时间中往往占比了25%。

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    下面这幅图清楚的说明了TFO的设计:

1、用户向服务器发送SYN包并请求TFO cookie;

2、服务器根据用户的IP加密生成cookie,随SYN-ACK发给用户;

3、用户缓存住TFO cookie。

    再次访问时:

1、用户向服务器发送SYN包并携带TCP cookie,同时请求实体数据;

2、服务器校验cookie。如果合法,向用户发送SYN+ACK,在用户回复ACK之前,便可以向用户传输数据;如果cookie校验失败,则丢弃此TFO请求,视为一次普通SYN,完成正常的三次握手。

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    因为用户使用DHCP,IP地址会改变;同时也为了防止攻击,服务器端会定期变换cookie。

建立了TFO连接而又没有完成TCP建连的请求在服务器端被称为pending TFO connection,当pending的连接超过上限值,服务器会关闭TFO,后续的请求会按正常的三次握手处理。

而一个带有TFO的SYN请求如果在一段时间内没有收到回应,用户会重新发送一个标准的SYN请求,不带任何其他数据。

    在集群环境中,所有服务器会使用相同的key。

    目前TFO被植入了Linux 2.6.34内核。

    为了验证TFO的作用,Google分别测试了全页面的下载时间及开启TFO对服务器性能的影响。平均来看,页面一般会包含44个元素,分布在7个域名中。同时浏览器会支持并行下载。抽样的测试对象为:亚马逊、纽约时报、华尔街日报和维基百科。可以看到RTT时间越大,TFO的效果越明显。当RTT为200ms时,改善达到了11%-41%。这对移动互联网尤其意义重大。

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     那么TFO对服务器性能是否有影响呢?可以直观看出,完全没有,甚至在某些连接数区间,性能还有改善。

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    网页访问的一步步优化看起来都是ms级别的,但对于大型网站来说,无形中影响的可能就是PV、用户满意度及收入。

【相关链接】:

http://www.pagefault.info/?p=282

http://blog.solrex.org/articles/tcp-fast-open-by-google.html

http://tools.ietf.org/html/draft-cheng-tcpm-fastopen-01

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标签: TCP SYN 非标准TCP cookie RTT TCP Fast Open TFO

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