为什么TCP在高时延和丢包的网络中传输效率差?

Posted 2020-10-31

说明：有同学私信问到，为什么TCP在高时延和丢包的网络中传输效率差? Google可以搜到很多的信息，这里转译了部分IBM Aspera fasp技术白皮书的第一章节内容，作为参考。

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在这个数字世界中，数字数据的快速和可靠移动，包括全球范围内的大规模数据传送，对于几乎所有行业的业务成功都变得至关重要。

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然而，传统的TCP协议具有固有的性能瓶颈，特别是对于具有高往返时间(RTT)和丢包的高带宽网络上最为显著。

TCP固有的传输性能瓶颈主要是由TCP的加性增/乘性减(AIMD)拥塞避免算法引起的，TCP拥塞算法缓慢地探测网络的可用带宽，增加传输速率直到检测到分组丢失，然后指数地降低传输速率。

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TCP的这种拥塞算法是为了避免Internet整体拥塞而设计的，因为在互联网的早期，数据传送网络都是基于电缆固定网络，传输中出现丢包就可以100%的认为是传输通道出现了拥塞。然而在今天的网络情况下，WIFI/移动蜂窝网络等无线传输网络本身就具有天然的丢包可能性，这些与网络拥塞无关的其它分组丢失同样降低了传输速率。

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事实上，TCP AIMD算法本身也会造成丢包，导致网络出现瓶颈。在提高传输速率直到发生丢失时，AIMD过于激进地探测可用带宽导致丢包。在某些情况下，这种由于激进探测带宽引发的丢包损耗实际上超过了来自其它原因(例如物理介质或交叉业务突发)的损耗，并且以不可预测的损耗比将"无损耗通信信道"变为"不可靠的信道"。

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TCP AIMD中基于丢包的拥塞控制对网络端到端传输吞吐量具有致命的影响:当一个分组丢失需要重传时，TCP大幅降低发送数据甚至停止发送数据到接收应用，直到重传确认。所有的网络应用传输性能都会受到TCP这种拥塞算法的影响，但是对于大批量数据的传输而言，尤其致命。

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TCP中可靠性(重传)与拥塞控制的这种耦合对文件传输造成严重的人为吞吐量损失，这从基于TCP的传统文件传输协议(如广域网上的FTP、HTTP、CIFS、NFS )的性能较差可见一斑。

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下面条形图显示了在使用TCP (×××显示)的文件传输技术的OC-1 (51 Mbps)链路上，在各种数据包丢失和网络延迟条件下可实现的最大吞吐量。TCP连接吞吐量有一个严格的理论限制，它仅取决于网络RTT和数据包丢失。请注意，增加更多带宽不会改变TCP有效吞吐量。文件传输速度没有提高，昂贵的带宽也没有得到充分利用。