在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡內(nèi)，機器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐禃r間(rtt)一般在10ms以內(nèi)，為此調(diào)內(nèi)部服務的超時時間一般會設(shè)置成50ms、200ms、500ms等，如果在傳輸過程中出現(xiàn)丟包，這樣的服務超時時間，tcp層有機會發(fā)現(xiàn)并重傳一次數(shù)據(jù)么？如果設(shè)置成200ms以內(nèi)，答案是沒有機會，原因是linux系統(tǒng)下第一次重傳時間等于傳輸?shù)耐禃r間上至少加上200ms的預測偏差值，即如果rtt值是7ms，第一次重傳超時時間至少是207ms，這樣如果對某個接口的超時時間設(shè)置成200ms以內(nèi)， 即便是rtt時間很小，仍然無法容忍一次丟包，因為在tcp發(fā)現(xiàn)丟包之前，該接口已經(jīng)超時了。
本文針對linux系統(tǒng)tcp數(shù)據(jù)包第一次重傳時間的計算進行探究，結(jié)果會讓人大吃一驚。提出的優(yōu)化方法，理論上能夠降低內(nèi)部服務調(diào)用時延和出錯量。
tcp發(fā)送數(shù)據(jù)包后，會設(shè)置一個定時器，到期后如果還沒有收到對方的回復(ack)，就會重傳數(shù)據(jù)包。從發(fā)出數(shù)據(jù)包到第一次重傳之間的間隔時間稱為retransmission timeout(RTO)，rto由數(shù)據(jù)包的往返時間(rtt)加上rtt的預測偏差(波動值)計算出來。
即 rto = srtt + rttvar，其中srtt是rtt的平滑值，而rttvar是波動值，代表可能的預測偏差。
接下來我們做一個試驗。
先ping一下，看一下數(shù)據(jù)包的往返時間，如下：
[xiaohong@localhost ~]$ ping
PING (123.125.104.197) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 123.125.104.197: icmp_seq=1 ttl=55 time=3.65 ms
64 bytes from 123.125.104.197: icmp_seq=2 ttl=55 time=3.38 ms
64 bytes from 123.125.104.197: icmp_seq=3 ttl=55 time=4.34 ms
64 bytes from 123.125.104.197: icmp_seq=4 ttl=55 time=7.82 ms
再看一下tcp對到的rtt相關(guān)數(shù)據(jù)，下面的命令是針對centos7(如果是以下的版本，運行的命令是ip route list tab cache)如下：
[xiaohong@localhost ~]$ sudo ip tcp_metrics
123.125.104.197 age 22.255sec rtt 7375us rttvar 7250us cwnd 10
由上面看出，平滑后的rtt值約為7ms，rttvar約為7ms，那按理說rto值應該是14ms左右，也就是等14ms后，如果沒有收到對方的響應，就會重傳數(shù)據(jù)。實際的情況會是這樣么？
在一個命令窗口里，運行下面的命令：
[xiaohong@localhost ~]$ nc 80
GET / HTTP/1.1
Host:
Connection:
同時再開一個命令行窗口里，運行下面的命令：
[xiaohong@localhost iproute2-3.19.0]$ ss -eipn '( dport = :www )'
tcp ESTAB 0 0 10.209.80.111:56486 123.125.104.197:80 users:(("nc",1713,3)) uid:1000 ino:14243 sk:ffff88002c992d00 <->
ts sack cubic wscale:0,7 rto:207 rtt:7.375/7.25 mss:1448 cwnd:10 send 15.7Mbps rcv_space:14600
從上面的結(jié)果可以看出，實際的rto值是207ms，相當于rtt值加上200ms，為什么呢？
下面從內(nèi)核tcp源代碼中分析原因。
設(shè)置超時時間的函數(shù)是tcp_set_rto，在net/ipv4/tcp_input.c中，如下：
static inline void tcp_set_rto(struct sock *sk)
{
const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
inet_csk(sk)->icsk_rto = __tcp_set_rto(tp);
tcp_bound_rto(sk);
}
可以看出，重傳的定時值isck_rto實際上是調(diào)用 __tcp_set_rto，接著看它的源碼，這個在文件include/tcp/net/tcp.h中，如下：
static inline u32 __tcp_set_rto(const struct tcp_sock *tp)
{
return (tp->srtt >> 3) + tp->rttvar;
}
為了避免浮點數(shù)運算，rtt乘以8保存在socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，從代碼可以確認：
icsk_rto = srtt + rttvar
而計算和影響srtt和rttvar的函數(shù)是tcp_rtt_estimator，在文件net/ipv4/tcp_input.c中，代碼如下：
static void tcp_rtt_estimator(struct sock *sk, const __u32 mrtt)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
long m = mrtt; /* RTT */
/* The following amusing code comes from Jacobson's
* article in SIGCOMM '88. Note that rtt and mdev
* are scaled versions of rtt and mean deviation.
* This is designed to be as fast as possible
* m stands for "measurement".
*
* On a 1990 paper the rto value is changed to:
* RTO = rtt + 4 * mdev
*
* Funny. This algorithm seems to be very broken.
* These formulae increase RTO, when it should be decreased, increase
* too slowly, when it should be increased quickly, decrease too quickly
* etc. I guess in BSD RTO takes ONE value, so that it is absolutely
* does not matter how to _calculate_ it. Seems, it was trap
* that VJ failed to avoid. 8)
*/
if (m == 0)
m = 1;
if (tp->srtt != 0) {
m -= (tp->srtt >> 3); /* m is now error in rtt est */
tp->srtt += m; /* rtt = 7/8 rtt + 1/8 new */
if (m < 0) {
m = -m; /* m is now abs(error) */
m -= (tp->mdev >> 2); /* similar update on mdev */
/* This is similar to one of Eifel findings.
* Eifel blocks mdev updates when rtt decreases.
* This solution is a bit different: we use finer gain
* for mdev in this case (alpha*beta).
* Like Eifel it also prevents growth of rto,
* but also it limits too fast rto decreases,
* happening in pure Eifel.
*/
if (m > 0)
m >>= 3;
} else {
m -= (tp->mdev >> 2); /* similar update on mdev */
}
tp->mdev += m; /* mdev = 3/4 mdev + 1/4 new */
if (tp->mdev > tp->mdev_max) {
tp->mdev_max = tp->mdev;
if (tp->mdev_max > tp->rttvar)
tp->rttvar = tp->mdev_max;
}
if (after(tp->snd_una, tp->rtt_seq)) {
if (tp->mdev_max < tp->rttvar)
tp->rttvar -= (tp->rttvar - tp->mdev_max) >> 2;
tp->rtt_seq = tp->snd_nxt;
tp->mdev_max = tcp_rto_min(sk);
}
} else {
/* no previous measure. */
tp->srtt = m << 3; /* take the measured time to be rtt */
tp->mdev = m << 1; /* make sure rto = 3*rtt */
tp->mdev_max = tp->rttvar = max(tp->mdev, tcp_rto_min(sk));
tp->rtt_seq = tp->snd_nxt;
}
}
從上面的代碼可以看出，srtt = 7/8 old srtt + 1/8 new rtt，這個跟RFC一致，沒有啥可以說的。
獲得第一個往返時間數(shù)據(jù)時(一般是建立連接完成時，對于客戶端就是發(fā)出sync請求，收到服務端的回應時，而對于服務器端就是發(fā)出syc+ack后，收到客戶端的ack時）的計算分析如下：
} else {
/* no previous measure. */
/* 以前沒有rtt的數(shù)據(jù)，這是收到第一個rtt的樣本數(shù)據(jù)的代碼邏輯 */
/* m是本次的rtt值，乘以8保存到 srtt中 */
tp->srtt = m << 3; /* take the measured time to be rtt */
/* rtt的初始偏差值mdev是 2倍rtt值 */
tp->mdev = m << 1; /* make sure rto = 3*rtt */
/* 設(shè)置rttvar和rtt偏差的最大值mdev_max這兩者的初始值 */
/* 2倍的rtt值，tcp_rto_min之間，那個大，就選那個 */
tp->mdev_max = tp->rttvar = max(tp->mdev, tcp_rto_min(sk));
tp->rtt_seq = tp->snd_nxt;
}
再看tcp_rto_min的代碼，在文件include/net/tcp.h中：
static inline u32 tcp_rto_min(struct sock *sk)
{
struct dst_entry *dst = __sk_dst_get(sk);
u32 rto_min = TCP_RTO_MIN; /* 200ms */
if (dst && dst_metric_locked(dst, RTAX_RTO_MIN))
rto_min = dst_metric_rtt(dst, RTAX_RTO_MIN);
return rto_min;
}
結(jié)合起來看，如果第一個數(shù)據(jù)包往返時間在100ms以內(nèi)，rtt預測初始的偏差值就固定為200ms，當數(shù)據(jù)包往返時間超過100ms，rtt預測偏差的初始值是2倍的rtt值，也就是說rttvar最小值是200ms。
接著分析計算和影響srtt和rttvar的函數(shù)是tcp_rtt_estimator的代碼：
if (tp->mdev > tp->mdev_max) {
/* 跟蹤rtt的偏差，記錄偏差最大值mdev_max */
tp->mdev_max = tp->mdev;
if (tp->mdev_max > tp->rttvar) /* 偏差最大值大于 rttvar時，rttvar跟著變大 */
tp->rttvar = tp->mdev_max;
}
if (after(tp->snd_una, tp->rtt_seq)) {
/* 偏差最大值小于 rttvar時，rttvar也會相應減少 */
if (tp->mdev_max < tp->rttvar)
tp->rttvar -= (tp->rttvar - tp->mdev_max) >> 2;
tp->rtt_seq = tp->snd_nxt;
/* 每個發(fā)送周期結(jié)束，重置mdev_max為tcp_rto_min */
tp->mdev_max = tcp_rto_min(sk);
}
也就是說，rtt預測偏差值rttvar會跟著實際的rtt預測偏差值變化，如果波動變大，則跟著變大，反之，如果波動變小，也會跟著變小。但因為每個發(fā)送周期內(nèi)，偏差的最大值會重置為tcp_rto_min，所以，rtt預測偏差值rttvar不會小于200ms。
那這200ms的限制，有啥簡單的方法調(diào)整么？繼續(xù)看tcp_rto_min的代碼，前面也貼過，如下：
static inline u32 tcp_rto_min(struct sock *sk)
{
struct dst_entry *dst = __sk_dst_get(sk);
u32 rto_min = TCP_RTO_MIN; /* 200ms */
if (dst && dst_metric_locked(dst, RTAX_RTO_MIN))
rto_min = dst_metric_rtt(dst, RTAX_RTO_MIN);
return rto_min;
}
從上面的代碼可以看出，如果對應的目標的路由表項中設(shè)置了rto_min值，則以設(shè)置的值為準。這可以通過netlink機制來修改，具體可以通過ip route命令，增加rto_min選項來完成。
分析完源代碼，接著試驗一下。
運行下面的命令修改成20ms：
sudo ip route add 123.125.104.197/32 via 10.209.83.254 rto_min 20
看以下修改后的結(jié)果：
[xiaohong@localhost ~]$ ip route list
default via 10.209.83.254 dev enp0s3 proto static metric 1024
10.209.80.0/22 dev enp0s3 proto kernel scope link src 10.209.80.111
123.125.104.197 via 10.209.83.254 dev enp0s3 rto_min lock 20ms
清除以下路由表的緩存，這樣可以立即查看效果：
sudo ip tcp_metrics flush
再測試訪問weibo.com：
[xiaohong@localhost ~]$ nc80
GET /
在另外的終端中確認一下結(jié)果：
[xiaohong@localhost iproute2-3.19.0]$ ss -eipn '( dport = :www )'
tcp ESTAB 0 0 10.209.80.111:56487 123.125.104.197:80 users:(("nc",1786,3)) uid:1000 ino:14606 sk:ffff88002c992d00 <->
ts sack cubic wscale:0,7 rto:22 rtt:2/1 mss:1448 cwnd:10 send 57.9Mbps rcv_space:14600
可以看出，本次的rtt值是2ms，rto為22ms，即已經(jīng)生效。
歡迎一起討論，拍磚也可以。呵呵。
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