网络Midbox处理TCP的方式对TCP吞吐的影响

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2023-01-07 07:17 115阅读 0赞

昨天下班的路上，我发了一则朋友圈：

> 今天抓到一条大鱼，隧道的TCP载荷吞吐提升一倍多，哈哈，周末愉快！  
> 很多隧道都用同一个线程处理同一个tcp流，这显然不对，应该用不同的线程分别处理一个流的两个方向。  
>   
> 但很多用户态隧道都是同一个线程处理同一条tcp连接的，这是问题。

这个问题在很多人看来真的很low，依然是那种不过如此的问题，因为怕被笑话，我故意把事情说的很low，但这只是一种措辞处理的技巧，本来这事儿就这么过去了。

但深入思考是我的习惯，我发现这竟然是一个普遍的问题，就准备记录下来。

***这不是一个和性能有关的多处理优化问题，这只是一个非常简单的保持全双工的问题！***

> 如果一个midbox无法保持全双工处理，那么它便破坏了互联网的基本原则。

当一条TCP流经过一个隧道的时候，它的trace波形图是下面的样子：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2RvZzI1MA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
而正常的trace图应该是下面的：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2RvZzI1MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
关于TCP是如何均匀填满整个BDP管道的动力学我就不分析了，之前说过太多。只是看到上述的 ***阶梯状*** trace图之后，你会怎么做？

我先说我会怎么做。

很明显，首先，我不会去查什么中间链路上的隧道之类的，看到如此明显的 ***空窗期*** ，见招拆招 ***填充它*** 便是了。于是：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2RvZzI1MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
调试TCP CC绝对是一个类似拆弹的手艺活儿，但往往也能体现一个人的技术素质，比如我就不合格：

*  我不去分析造成这种阶梯波形的原因，反而一上来就见招拆招地填补空窗期…

如此填窗是很简单的，一个stap -g脚本就能搞定。然而填窗之后，trace波形惨不忍睹…大量丢包，一片红，队形全乱！  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2RvZzI1MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

嗯，我就是没有坐诊直接开颅的那个庸医华佗！

好了，现在收起生锈的手术刀，开始分析根因。同时比对一下接收端的trace波形就能发现端倪：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2RvZzI1MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

TCP平滑的trace波形是背靠背的数据和ACK形成的，ACK提供反馈，促发数据的发送：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2RvZzI1MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
平滑的trace图意味着什么？

平滑的trace图意味着 ***每一个数据段之间的间隔相同或者大致相同！*** 这要求：

*  ***每一个ACK之间的间隔相同或者大致相同(不考虑延迟ACK或者完全考虑延迟ACK)。***

平滑的ACK流促发平滑的数据流！

简而言之， ***网络必须“同时”处理数据段和ACK段！*** 只有这样数据段和ACK段之间才不会因为互斥而引入延迟，我们知道，任意持续引入的延迟都会逐渐放大，让trace波形变成阶梯。

如果网络中间有一个midbox，它只能每次处理一个报文，那么会怎样？  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2RvZzI1MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

本来背靠背的流量被midbox整形成了带有gap的，那么trace波形图显然也就从一条斜线变成阶梯状了。

仅仅变成阶梯状吗？它实际的后果是什么？我们观察阶梯状的trace图，发送方向的那个空窗期其实是midbox在处理另一个方向的ACK，显而易见，时间被两个方向共享了，吞吐即下降一倍。

当分离两个方向的处理后，正如预期的，吞吐翻倍。

好的，现在的结论很明确了，就是midbox的锅！但是midbox到底是什么？midbox具有什么特征才会造成阶梯状的trace波形呢？

如果midbox是一个单进程单线程的服务，必须OpenVXY，那必然结果如此。但如果midbox是一个多进程多线程的服务，相比之下是不是会避开这个坑呢？

也未必。当说到这个midbox多处理话题的时候，很多人会想当然认为直接打散就好了，要么按流打散，要么按包打散，但都有坑：

*  按流打散，会造成本文所描述的现象，一个流被同一个线程处理，但一个线程同时只能处理一个方向啊！
 *  按包打散，会造成单流乱序的增加，如果SACK超过了发送端对乱序度的忍耐程度，便会增加重传降低有效带宽。

实际上还有一个维度，即 ***按方向打散*** ，然后在每个方向上再按流打散。我们有一个现成的实例，就是这么做的，那就是Linux内核协议栈：

*  网卡可以按包元组hash做RSS(这显然是区分方向的)，然后Linux内核协议栈确保在同一个CPU Core上完成从接收到转发的流程。

说来很挺简单， ***网络是什么样子的，midbox不要破坏它便是了。显然，网络是全双工的，midbox也要设计成全双工的，而要实现全双工，至少需要两个线程，一个方向一个，不是吗？***

这里的道理显然很简单，与并发，多核编程模型毫无关系，与hash也没关系，这里只是一个保持全双工的问题。

还有一个buffer bloat的问题。

单线程处理一个流的半双工midbox实际上促使了数据段和ACK段的排队，如果一个方向上过来的包不能马上被处理，当然要排队了。正如我们想象的，很多midbox其实都可以被戏称为排队buffer，所以pacing队形在经过了几跳之后很难再被保持，这也是为什么BBR很多情况下不符合预期的原因之一。

总之，我对运营商的大多数转发设备是不信任的，我不觉得它们能保持你的pacing rate( ***如果它们不是因为没有这个义务而不做，那就是它们没有这个能力*** )，即便这个pacing rate低于它们的限速值，它们也能给你整成burst。纯正的BBR行为还是要内网观测，放到运营商公网，纯正的队形就像坎尼会战中的罗马军团，刹那间被冲散！

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浙江温州皮鞋湿，下雨进水不会胖。

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