NGINX应用性能优化指南（第五部分）：吞吐量

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【编者的话】本文是“NGINX应用性能优化指南”系列文章的第五篇，主要介绍了如何从吞吐量方面实现NGINX应用性能优化。

注：本文最初发布于MaxCDN博客，InfoQ中文站在获得作者授权的基础上对文章进行了翻译。

正文

NGINX反向代理配置设置了两个网络路径：客户端到代理和代理到服务器。这两个路径不仅“HTTP跨度（HTTP spans）”不同，TCP网络传输域也不同。

尤其是提供大资源时，我们的目标是确保TCP充分利用了端到端连接。理论上讲，如果TCP流同HTTP数据紧密打包在一起，而且数据尽可能快地发送出去，那么我们就会获得最大的吞吐量。

但是，我时常在想，为什么我没有看到更快的下载速度。知道这种感觉吗？所以让我们深入底层，了解下基本原理。

网络传输入门

TCP采用两个基本原则决定何时发送以及发送多少数据：

1. 流量控制是为了确保接收者可以接收数据；
2. 拥塞控制是为了管理网络带宽。

流量控制是通过接收者指定的接收窗口实现的，后者会规定接收者一次希望接收和存储的最大数据量。这个窗口可能会变大——从几个KB到若干MB——这取决于测得的连接带宽延迟乘积（BDP，对此下文会有更多介绍)。

拥塞控制是由发送者实现为RWND大小的一个约束函数。发送者会将它传输的数据量限制为CWND和RWND的最小值。可以将此看作是遵从“网络公平性”的一种自我约束。窗口大小（CWND）会随着时间增长，或者随着发送者接收到先前传输的数据的确认而增长。如果检测到网络拥塞，那么它也会缩小窗口。

同时，发送者和接收者在决定最大可用TCP吞吐量时各自扮演一个重要的角色。如果接收者的RWND太小，或者发送者对网络拥塞过于敏感或者对网络拥塞减退反应太慢，那么TCP吞吐量都不会是最理想的。

管道填充

网络连接通常以管道为模型。发送者在一端泵入数据，接收者在另一端抽取数据。

BDP（以KB或MB为单位）是比特率同RTT的乘积，是一个表示需要多少数据填充管道的指标。例如，如果你在使用一个100Mbps的端到端连接，而RTT为80毫秒，那么BDP就为1MB（100 Mbps * 0.080 sec = 1 MB）。

TCP会设法填充管道，并保证没有管道泄露或破裂，因此，BDP是RWND的理想值：TCP可以发出的最大动态（还没有收到接收者的确认）数据量。

假设有足够的数据待发送（大文件），而且没有什么阻止发送应用程序（NGINX）以管道能够接受的速度向管道泵入数据，RWND和CWND可能会成为实现最大吞吐量的限制因素。

大多数现代TCP栈会使用TCP时间戳以及窗口缩放选项自动优化这些参数。但是旧系统不会，有些应用程序会出现异常行为。因此，有两个明显的问题：

1. 我如何检查？
2. 我如何修复？

我们下面会处理第一个问题，但是修复TCP涉及学习如何优化TCP栈——这本身就是一项全职工作。更可行的方案是TCP加速软件或硬件。而且，这类供应商非常多，包括我每天都在研究的产品SuperTCP。

检查RWND和CWND

设法确认RWND或CWND是否是限制因素，包括将它们同BDP进行比较。

为此，我们会嗅探在（无头）NGINX代理上使用tcpdump工具进行大资源HTTP(S)传输的数据包，并将捕获的文件加载到带有图形界面的机器上的Wireshark中。然后，我们可以绘制一个有意义的图形，从而对这些基本变量是否得到了正确设置有一些了解。

# tcpdump -w http_get.pcap -n -s 100 -i eth0 port <80|443>

如果你使用了一个不同的捕获过滤器，那么只要确保它捕获了TCP HTTP对话的双向数据。另外，还要确保是在发送设备上进行捕获，因为我们需要使用Wireshark正确地计算动态数据量。（在接收者一端进行捕获会使Wireshark相信RTT接近为0，因为接收者ACK可能会在数据进来后立即发送出去）。

将http_get.pcap文件加载到Wireshark中，找到感兴趣的HTTP流，然后仔细看下它的tcp.stream索引：

打开Statistics->IO Graph，并进行如下配置：

• Y-axis -> Unit: Advanced
• Scale: Auto
• Graph 5 (pink)
  
  • Filter:tcp.dstport==<80|443> && tcp.stream==< index>
  • Calc: MAX and tcp.window_size
  • Style: Impulse
• Graph 4 (blue)
  
  • Filter:tcp.srcport==<80|443> && tcp.stream==< index>
  • Calc: MAX and tcp.analysis.bytes_in_flight
  • Style: FBar

接下来，务必按下（启用）Graph 4和Graph 5按钮，根据那些结果进行绘图。下面的例子可能是你期望看到的：

我使用一个100Mbps的连接从一个80毫秒远的NGINX代理上GET一个128MB的文件（从AWS俄勒冈州到我们在加拿大渥太华的办公室）。相应的BDP为1MB。

注意看下RWND（粉色）的变化，开始时很小，数个往返后增长到稍稍超过1MB。这证明接收者能够调整RWND，并且可以察觉BDP（好极了）。或者，如果我们看到RWND变小了（又称为关闭中），那表明接收应用程序读取数据的速度不够快——也许没有获得足够的CPU时间。

对于发送者的性能——CWND（蓝色）——我们想要一个指征，就是动态数据量会受到RWND限制。我们看到，在3秒到6秒这个时间段里，NGINX代理能够发出的动态数据量是RWND允许的最大数据量。这证明发送者能够推送足够的数据以满足BDP。

不过，在快到6秒时，似乎有东西出现了大问题。发送者发出的动态数据量显著减少。自我约束行为通常是由发送者检测到拥塞引起的。回想一下，GET响应从西海岸传送到东海岸，遇到网络拥塞还是很可能的。

识别网络拥塞

当发送者检测到拥塞，它会缩小CWND，以便减少它对网络拥塞的贡献。但是，我们如何才能知道？

通常，TCP栈可以使用两类指示器检测或度量网络拥塞：数据包丢失和延迟变化（bufferbloat）。

• 数据包丢失：任何网络都会出现数据包丢失，Wi-Fi网络尤为突出，或者在网络元素积极管理它们的队列（比如随机早期丢弃）的时候，或者在它们根本没有管理它们的队列（尾部丢弃）的时候。TCP会将丢失ACK或者从接收者那里收到了非递增ACK（又称重复ACK）当作数据包丢失。

• Bufferbloat是由数据包积压越来越多导致的端点间延迟（RTT）增加。

  TIP：使用简单的工具ping或者更加复杂的工具mtr，有时候可以检测到有意义的bufferbloat——尤其是当发送者推送数据速率较高的时候。那会给你深刻的印象，让你对更深层次的网络上可能正在发生什么有个真实的感受。

在同一个Wireshark IO Graph窗口中加入下列内容：

• Graph 2 (red)
  
  • Filter: tcp.dstport==<80|443> && tcp.stream==< index>
  • Calc: COUNT FIELDS and tcp.analysis.duplicate_ack
  • Style: FBar
• 另外将Scale改为Logarithmic

瞧！证据有了，接收者发送了重复ACK，表明实际上有数据包丢失。这解释了为什么发送者缩小了CWND，即动态数据量。

你可能还想寻找tcp.analysis.retransmission出现的证据，当出现数据包丢失报告，数据包必须重发时，或者当发送者等待来自接收者的ACK超时时（假设数据包丢失或者ACK丢失）。在后一种情况下，查下tcp.analysis.rto。

对于上述两种情况，务必将Filter设置为tcp.srcport=*<80|443>*，因为重传源于发送者。

查看英文原文：NGINX Application Performance Optimization：Throughput