TCP Fast Open - 蚂蚁网-多维人生，三实而立！

欢迎关注:1，欢迎关注本博客，你可点击右手边的【QQ邮件订阅】订阅本博客！2，本博客推出江湖救急计划，主要为工作中遇到疑难杂症的兄弟提供远程技术支持和分析，如有需要，请在江湖救急计划页面给我留言！

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%。

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%。

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。

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。