前言
TCP 作為一種最常用的傳輸層協議，它的作用是在不可靠的傳輸信道上，提供可靠地數據傳輸。在各層網絡協議中，只要有一層協議是可靠的，那么整個網絡傳輸就是安全可靠的。現實中，幾乎所有的 HTTP 流量都是經過 TCP 傳輸。因此，我們要進行 web 性能優化，TCP 是其中的關鍵一環。要針對 TCP 進行性能優化，就得理解其工作原理。
三次握手
眾所周知，建立一次 TCP 連接需要進行三次握手。關于三次握手，一圖勝千言。
三次握手給 TCP 帶來了很大的延遲，不過這個握手過程是必不可少的。因為如果沒有三次握手，有可能會出現一些已經失效的請求包突然又傳到服務端，服務端認為這是客戶端發起的一次新的連接，于是發出確認包，表示同意建立連接。而客戶端并不會有響應，導致服務器出現空等，白白浪費服務器資源。
既然三次握手的過程不可避免，那么我們只能通過重用 TCP 連接，減少三次握手的次數。HTTP 1.1 引入了長連接，通過在請求頭中加入 Connection: keep-alive， 來告訴請求響應完畢后，不要關閉連接。不過 HTTP 長連接也是有限制的，服務器通常會設置 keep-alive 超時時間和最大請求數，如果請求超時或者超過最大請求數，服務器會主動關閉連接。
除此之外，TFO(TCP Fast Open，TCP 快速打開)這種機制也被設計用于優化三次握手過程。它通過握手開始時的 SYN 包中的 TFO cookie（一個 TCP 選項）來驗證一個之前連接過的客戶端。如果驗證成功，它可以在三次握手最終的 ACK 包收到之前就開始發送數據。
Linux 3.7 及以后的內核在客戶端及服務器中支持 TFO， 對于移動端，Android 和 iOS 9+ 都支持 TFO，不過 iOS 并未默認啟用。
PS: 推薦大家裝一個 wireshark，可以非常直觀的觀察到三次握手的過程。
流量控制
流量控制是一種預防發送端向接受端發送過多數據的機制。它的主要目的是為了防止接收端服務過載，從而出現丟包。為了實現流量控制，TCP 連接的每一方都要聲明自己的通告窗口（rwnd），表示自己的緩沖區最多能接收多少數據。如果其中一端跟不上對方的發送速度，就通知對方一個較小的窗口。如果窗口大小為 0，應用層必須先清空緩沖區，才能繼續接收數據。這就是所謂的滑動窗口協議。
大家可能經常遇到這種情況，自己明明是百兆寬帶，實際下載速度每秒卻只有幾M。這種情況有可能就是通告窗口（rwnd）設置的不合理造成的。最初的 TCP 規范分配給接收窗口大小的字段是 16 位，也就是 64KB（2 的 16 次方）。實際上，rwnd 的大小應該由 BDP（帶寬延遲積） 而定。BDP(bit) = bandwidth(b/s) * round-trip time(s)。比如一個 100Mbps 的寬帶，RTT 是100 ms，那么 BDP = (100 / 8) * 0.1 = 1.25M。此時，要想提高網絡傳輸吞吐量，rwnd 應該為 1.25 M。
為了解決這個問題，TCP 窗口縮放（TCP Window Scaling）出現了，它將窗口大小由 16 位擴展到 32 位。Linux 上自帶了緩沖大小調優機制，如下命令，可以查看 Linux 初始窗口大小：
sysctl net.ipv4.tcp_rmem
// 輸出 net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 6291456
// 從左到右一次為最小值、默認值、最大值
慢啟動
流量控制機制可以防止發送端和接收端之間的服務過載，但無法防止任何一端向某個網絡的發送數據過載，因此還需要一個估算機制，根據網絡環境動態改變數據傳輸速度，這就是慢啟動出現的原因。
慢啟動為發送方的 TCP 增加了一個窗口：擁塞窗口（congestion window）,記為 cwnd。當與另一個網絡的主機建立 TCP 連接時，cwnd 初始化為 1 個 TCP 段。每收到一個 ACK，cwnd 就增加一個 TCP 段。發送端取 cwnd 和 rwnd 中的最小值作為發送上限。可以這樣理解，擁塞窗口是發送端使用的流量控制，而通告窗口是接收端使用的流量控制。
一開始 cwnd 為 1，發送方只發送一個 mss（最大報文段長度） 大小的數據包，收到 ack 后，cwnd 加 1，cwnd=2。
此時 cwnd 2，則發送方要發送兩個 mss 大小的數據包，發送方會收到兩個 ack，則 cwnd 會進行兩次加一的操作，則也就是 cwnd+2，則
cwnd=4，也就是 cwnd = cwnd*2。
以此類推，每次 rtt 后，cwnd 都會變成上次發送前的 2 倍。因此，cwnd 的大小是呈指數級在遞增。
隨著 cwnd 的增加，會發送網絡過載，此時會出現丟包。一旦發現有這種問題，cwnd 會成倍減少。
為了減少往返次數，初始擁塞窗口的大小設定就尤為重要。默認情況下(RFC 2581)，初始 cwnd 為 4 個 MSS。Google 建議將初始窗口改為 10 個 MSS。根據 Google 的研究，90% 的 HTTP 請求數據都在 16KB 以內，約為 10 個 MSS。
總結
本文介紹了 TCP 的部分工作原理，包括三次握手、流量控制、慢啟動，并闡述了 TCP 快速打開、窗口縮放、增加初始擁塞窗口大小等優化手段。內容有點偏理論，還是需要多多實踐，才能合理掌握各種優化手段。
參考文獻：
