RTT是什么？對(duì)TCP中RTT時(shí)延的理解

最近服務(wù)器環(huán)境部署了tcprtt網(wǎng)絡(luò)時(shí)延監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)不同服務(wù)器不同節(jié)點(diǎn)之間的RTT時(shí)延表象非常奇怪，無法準(zhǔn)確的判斷服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)情況。因此需要弄清楚什么是RTT，以及能否作為服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)性能的檢測(cè)指標(biāo)。

1、RTT是什么？

TCP中的 RTT指的是“往返時(shí)延”（Round-Trip Time） ，即從發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送方接收到來自接收方的確認(rèn)消息所經(jīng)過的時(shí)間。RTT時(shí)延通常由三部分決定： 鏈路的傳播時(shí)間、末端系統(tǒng)的處理時(shí)間、路由器等網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)的緩存和排隊(duì)時(shí)間 。正常情況下報(bào)文的傳輸時(shí)間和在應(yīng)用處理時(shí)間相對(duì)固定，在網(wǎng)絡(luò)擁堵情況下會(huì)出現(xiàn)RTT時(shí)延的波動(dòng)。

RTT是衡量網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的重要指標(biāo)之一，能夠反映出數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性。通常情況下，RTT越短，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣染驮娇?，反之則越慢。因此， 通過監(jiān)測(cè)TCP中的RTT時(shí)延，可以初步判斷網(wǎng)絡(luò)的性能如何。 但需要注意的是，RTT時(shí)延只是一個(gè)指標(biāo)，要全面評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能還需要結(jié)合其他指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。

1.1 RTT和RTO關(guān)系

說起RTT就要提到RTO（Retransmission Timeout），TCP協(xié)議在握手過程中會(huì)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，如果在定時(shí)器時(shí)間內(nèi)沒有收到，則會(huì)進(jìn)行重傳，這個(gè) 重傳的超時(shí)時(shí)間稱為RTO 。RTT和RTO的關(guān)系是：由于網(wǎng)絡(luò)的不確定性，每個(gè)RTT都是動(dòng)態(tài)變化的，RTO也會(huì)動(dòng)態(tài)變化。

當(dāng) RTO < RTT 時(shí), 將會(huì)觸發(fā)大量的重傳, 當(dāng) RTO > RTT 時(shí)候, 如果頻繁出現(xiàn)丟包, 重傳不及時(shí), 又會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)慢, 最好的結(jié)果是 RTO 略大于 RTT.

1.2 RTT和Ping區(qū)別

Ping是使用 ICMP傳輸協(xié)議 ，可以用來評(píng)估RTT時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)性能的好壞。相比之下， RTT則是在應(yīng)用層 （OSI/ISO的第7層）進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量，包括更高級(jí)別的協(xié)議和應(yīng)用程序引起的額外處理時(shí)延。

1.3 RTT和時(shí)延的區(qū)別

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延與RTT密切相關(guān)，但又不同。延遲是數(shù)據(jù)包從發(fā)送端點(diǎn)傳輸?shù)浇邮斩它c(diǎn)所需的時(shí)間（僅一次行程）。許多因素可能會(huì)影響此路徑，包括網(wǎng)絡(luò)鏈路性能情況、網(wǎng)絡(luò)擁堵情況還有交換機(jī)層的緩存和隊(duì)列等。 ** RTT除了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)延，還有末端處理的時(shí)延** ，因此網(wǎng)絡(luò)時(shí)延并不一定完全等于RTT的一半。因此我們 可以解釋在部分主備節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫中，主節(jié)點(diǎn)到備節(jié)點(diǎn)的RTT時(shí)延表現(xiàn)正常，低于1ms，但是備節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)之間的RTT時(shí)延超過10ms ，這中間很大一部分原因是因?yàn)閭涔?jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)庫的時(shí)候，主節(jié)點(diǎn)處理耗費(fèi)了大部分時(shí)間。

2、RTT的算法和測(cè)量方法

2.1 RTT經(jīng)典算法 [RFC793]

該算法稱為加權(quán)移動(dòng)平均算法Exponential weighted moving average，過程如下：

1） 首先，先采樣RTT，記下最近幾次的RTT值。

2）然后做平滑計(jì)算SRTT（Smoothed RTT），公式為：

SRTT=(α?SRTT)+((1?α)?RTT)
其中的α取值在0.8到0.9之間

3）開始計(jì)算RTO。公式如下：

RTO=min[UBOUND,max[LBOUND,(β?SRTT)]]
UBOUND 是最大的 timeout 時(shí)間，上限值；
LBOUND 是最小的 timeout 時(shí)間，下限值；
β值一般在1.3到2.0之間。

該算法的問題在于重傳時(shí)，是用重傳的時(shí)間還是第一次發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)間和ACK回來的時(shí)間計(jì)算RTT樣本值，另外，delay ack的存在也讓rtt不能精確測(cè)量。

2.2 RTT標(biāo)準(zhǔn)算法（Jacobson / Karels算法）

該算法[ RFC6298 ]特點(diǎn)是引入了最新的RTT的采樣rtts和平滑過的srtt的差值做參數(shù)來計(jì)算。 公式如下：

1）計(jì)算平滑RTT

srtt=srtt+α(rttssrtt)

2）計(jì)算平滑RTT和真實(shí)的差距（加權(quán)移動(dòng)平均）

rttvar=(1?β)?rttvar+β?(|rtts?srtt|)

3）計(jì)算RTO

rto=u?srtt+??rttvar

4）考慮到時(shí)鐘粒度，給RTO設(shè)置一個(gè)下界。

rto=max(u?srtt+max(G,??rttvar),1000)

這里G為計(jì)時(shí)器粒度，1000ms為整個(gè)RTO的下屆值。因此RTO至少為 1s。在Linux下，α=0.125，β=0.25，μ=1，?=4。

5）在首個(gè)SYN交換前，TCP無法設(shè)置RTO初始值。根據(jù)[RFC6298]，RTO初始值為1s，而初始SYN報(bào)文段采用的超時(shí)間隔為3s。當(dāng)計(jì)算出首個(gè)RTT測(cè)量結(jié)果rtts，則按如下方法進(jìn)行初始化：

srtt=rttsrttvar=rtts/2

2.3 RTT測(cè)量方法

每發(fā)送一個(gè)分組，TCP都會(huì)進(jìn)行RTT采樣，這個(gè)采樣并不會(huì)每一個(gè)數(shù)據(jù)包都采樣，同一時(shí)刻發(fā)送的數(shù)據(jù)包中，只會(huì)針對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)包采樣，這個(gè)采樣數(shù)據(jù)被記為sampleRTT，用它來代表所有的RTT。采樣的方法一般有兩種：

• TCP Timestamp選項(xiàng) ：在TCP選項(xiàng)中添加時(shí)間戳選項(xiàng)，發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候記錄下時(shí)間，收到數(shù)據(jù)包的時(shí)候計(jì)算當(dāng)前時(shí)間和時(shí)間戳的差值就能得到RTT。這個(gè)方法簡(jiǎn)單并且準(zhǔn)確，但是需要發(fā)送段和接收端都支持這個(gè)選項(xiàng)。
• 重傳隊(duì)列中數(shù)據(jù)包的TCP控制塊 ：每個(gè)數(shù)據(jù)包第一次發(fā)送出去后都會(huì)放到重傳隊(duì)列中，數(shù)據(jù)包中的TCP控制塊包含著一個(gè)變量，tcp_skb_cb->when，記錄了該數(shù)據(jù)包的第一次發(fā)送時(shí)間。如果沒有時(shí)間戳選項(xiàng)，那么RTT就等于當(dāng)前時(shí)間和when的差值。

linux內(nèi)核中，更新rtt的函數(shù)為tcp_ack_update_rtt：

3、RTT網(wǎng)絡(luò)性能檢測(cè)和優(yōu)化

3.1 RTT時(shí)延檢測(cè)方法

1）使用ping命令測(cè)量RTT是最常用的方法

Ping命令將ICMP協(xié)議回顯請(qǐng)求數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的地，然后報(bào)告接收響應(yīng)信號(hào)所需的時(shí)間（以毫秒為單位）。

[root@tango-rac01 ~]# ping -c 20 -i 1 www.csdn.net
PING r3lzca9monbh9slnohm4wwh32vxfadus.yundunwaf4.com (60.205.172.2) 56(84) bytes of data.
--- r3lzca9monbh9slnohm4wwh32vxfadus.yundunwaf4.com ping statistics ---
20 packets transmitted, 20 received, 0% packet loss, time 20099ms
rtt min/avg/max/mdev = 45.053/62.665/163.425/29.858 ms

2）時(shí)延 bcc-tools工具tcprtt （內(nèi)核版本為4.1以上）

tcprtt -i 1 -d 10 -A 192.168.1.100 -P 80
	Tracing TCP RTT... Hit Ctrl-C to end.
	     msecs               : count     distribution
	         0 - > 1          : 4        |                                        |
	         2 - > 3          : 0        |                                        |
	         4 - > 7          : 1055     |****************************************|
	         8 - > 15         : 26       |                                        |
	        16 - > 31         : 0        |                                        |
	        32 - > 63         : 0        |                                        |
	        64 - > 127        : 18       |                                        |
	       128 - > 255        : 14       |                                        |
	       256 - > 511        : 14       |                                        |
	       512 - > 1023       : 12       |                                        |

3）使用ss -ti命令

[root@tango-rac01 tools]# ss -ti
State       Recv-Q Send-Q                                      Local Address:Port                                                       Peer Address:Port                
ESTAB       0      0                                         192.168.112.135:ssh                                                       192.168.112.1:56505                
         cubic wscale:8,9 rto:241 rtt:40.225/0.997 ato:74 mss:1448 cwnd:10 bytes_acked:152109 bytes_received:12047 segs_out:733 segs_in:816 send 2.9Mbps lastsnd:41 lastrcv:137 pacing_rate 5.8Mbps rcv_rtt:28 rcv_space:28960

其中有rtt:40.225/0.997數(shù)據(jù)，表示RTT均值和中位數(shù)

3.2 RTT時(shí)延優(yōu)化

1）RTT時(shí)延波動(dòng)的原因

前文提到RTT時(shí)延包括網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延和末端處理時(shí)延，末端處理時(shí)延相對(duì)比較固定，因此RTT波動(dòng)很大可能和以下因素有關(guān)：

• 網(wǎng)絡(luò)擁塞 ：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，數(shù)據(jù)包需要在網(wǎng)絡(luò)中等待更長(zhǎng)時(shí)間，從而導(dǎo)致 RTT 增加。
• 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量 ：網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量差、丟包率高等問題也會(huì)導(dǎo)致 RTT 波動(dòng)較大。
• 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備問題 ：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障、配置錯(cuò)誤等也可能導(dǎo)致 RTT 波動(dòng)較大。

2） 網(wǎng)絡(luò)擁塞的檢測(cè)方法

網(wǎng)絡(luò)擁塞是指網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量超過了網(wǎng)絡(luò)鏈路或節(jié)點(diǎn)的處理能力，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降或出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失等問題。除了常見的傳輸延遲、丟包率等指標(biāo)外，還有以下幾種網(wǎng)絡(luò)擁塞的檢測(cè)手段：

• 流量分析：通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的監(jiān)測(cè)和分析，找出網(wǎng)絡(luò)中的高流量區(qū)域，從而判斷哪些地方可能存在擁塞。
• 響應(yīng)時(shí)間監(jiān)測(cè)：通過測(cè)量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備響應(yīng)時(shí)間，判斷網(wǎng)絡(luò)是否處于擁塞狀態(tài)。
• 帶寬占用監(jiān)測(cè)：通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的監(jiān)測(cè)和分析，找出網(wǎng)絡(luò)中的高帶寬占用區(qū)域，從而判斷哪些地方可能存在擁塞。
• 包延遲監(jiān)測(cè)：通過測(cè)量數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸所需的時(shí)間，判斷網(wǎng)絡(luò)是否處于擁塞狀態(tài)。
• 拓?fù)浞治觯和ㄟ^分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，找出網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸節(jié)點(diǎn)和鏈路，從而判斷哪些地方可能存在擁塞。

3）網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)檢測(cè)方法

網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)是指網(wǎng)絡(luò)通信中出現(xiàn)的延遲或者丟包現(xiàn)象，導(dǎo)致通信不穩(wěn)定。要檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，可以使用以下方法：

• ping命令 ：ping命令可以測(cè)試網(wǎng)絡(luò)是否能夠正常通信，如果出現(xiàn)延遲或者丟包現(xiàn)象，就說明存在網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)。
• tracert命令 ：tracert命令可以追蹤網(wǎng)絡(luò)通信的路徑，如果在通信過程中出現(xiàn)延遲或者丟包現(xiàn)象，就說明存在網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)。
• 網(wǎng)絡(luò)診斷工具 ：網(wǎng)絡(luò)診斷工具可以幫助檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，并提供詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，幫助用戶更好地理解網(wǎng)絡(luò)通信過程中出現(xiàn)的問題。
• 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，包括延遲、丟包等指標(biāo)，并提供實(shí)時(shí)報(bào)警和分析報(bào)告，幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)問題。

4、總結(jié)

RTT作為網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的檢測(cè)工具，是 在應(yīng)用層進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)性能檢測(cè) ，包括了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)延和末端響應(yīng)的時(shí)延。在實(shí)際分析過程中，主機(jī)上單個(gè)服務(wù)的RTT時(shí)延較長(zhǎng)并不能說明服務(wù)器之間的物理網(wǎng)絡(luò)異常，需要更多的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比如相同主機(jī)上的其它服務(wù)的RTT時(shí)延、ping包時(shí)延等。

如上圖所示的主機(jī)1中的服務(wù)1和主機(jī)2中的服務(wù)2和服務(wù)3配置了RTT時(shí)延監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)服務(wù)器1到服務(wù)2的RTT時(shí)延明顯差于服務(wù)1到服務(wù)3的RTT時(shí)延。這個(gè)時(shí)候就可以辨別出，如果是網(wǎng)絡(luò)層的性能變差，兩個(gè)RTT檢測(cè)的值表現(xiàn)上會(huì)相似，但實(shí)際上卻是相反的，只能 說明服務(wù)2在響應(yīng)服務(wù)1的請(qǐng)求處理時(shí)間比服務(wù)3長(zhǎng) 。

因此在實(shí)際的監(jiān)控配置過程中，RTT時(shí)延只能作為網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控的一個(gè)參考指標(biāo)，不排除會(huì)出現(xiàn)誤判的情景，需要和其它主機(jī)和服務(wù)橫向?qū)Ρ热シ治雠袛唷?/p>