Nagle公平队列

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我是靠谱客的博主丰富故事，最近开发中收集的这篇文章主要介绍Nagle公平队列，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

为保护正常行为（well-behaved）的源主机流量，免受异常（badly-behaved）主机的影响，或者是在两种流量混合的网络中，确保正常行为的主机获得优于异常主机的流量服务，在RFC970中，Nagle提出了一种公平队列。

我们假设一个高带宽的LAN通过网关（交换设备）与WAN相连，LAN网络中的没有流量控制。任何主机如果发送到WAN网络的报文速率超过网关可处理的极限，将会在网关处造成拥塞。如果网关采用先入先出队列（First-In-First-Out），异常行为的主机将严重干扰正常主机的流量。

网关（报文交换设备）需引入公平处理，每个主机应当获得相等的报文交换机会。这就需要替换掉单一的先入先出队列，对于每个数据链路采用多个队列，每个队列存储一个主机的流量。这些队列以一种轮询（Round-Robin）的方式处理，依次由非空队列中取出一个报文（其生存期有效），发送此报文，如果报文生存期已过，丢弃此报文。当前的空队列将被跳过，在本次轮询中无效。

以上机制可以说是公平的，出接口带宽被平均的分配给每个主机。在每个轮询周期中，每个主机对应的队列中的报文都可被发送一个。因此，实现了一定意义上的负载均衡。

因此，对于每个主机而言，此时较优的策略不再是尽可能的发送大量的报文，而是以一定的速率进行发送，只要报文有一个报文在网关（报文交换设备）的队列中等待即可。这样，每个轮询周期中此报文都会被发送。主机的报文将获得最小的传输延迟。通常，网关队列中保存1到2个报文，对整个网络是可接收的，包括网关内存需求。

另外，主机需要从网络中获取反馈信息以优化其发送策略，当前已有的源抑制（Source Quench）机制，足够支持此功能。网关设备可在当特定主机的队列长度超过某个值（如：2）时，发送源抑制消息到主机。如果主机在接收到此消息之后，降低其发送速率，这个网络中交换设备的每个队列长度可为此在某个水平（如小于2）。

异常行为的主机可发送其想发送的所有报文，但是其占用的网络带宽并不会因此增加，这些报文将经历较长的发送延迟。异常行为的主机如果发送足够多的报文，终有一些报文在网关设备的队列中过期（假设网关内存足够大，并采用某种计时机制），这些报文将得不到发送。相比于单一的FIFO队列，采用公平队列机制，将使的异常行为主机的报文更容易发送过期，因为其对应的队列仅可获得所有主机队列发送机会中的一个，相比FIFO，更容易造成大量报文的堆积。这反过来，促使异常行为的主机规范发送行为。

但是，对于恶意的主机，其可能通过在报文中伪造不同的源地址，使网络（网关设备等）处于过载状态。其模拟大量不同的主机，来获得大部分的网络带宽。这算是一种网络攻击，并不会是偶然发生的，应作为网络安全问题处理。

虽然以上机制使得报文交换设备具有了公平性，但是，并不是整个网络都是公平的。开启此机制的设备应当放置在网络的关键通路上，比如LAN和WAN网络的连接点处。

在实现上，交换设备为每个外出接口的每个主机源创建一个单独的队列，看起来会为队列机制带来很大复杂性。但是，虽然有复杂性，但是并没有要求的那样复杂，例如使用平衡二叉树实现（balanced binary trees）。一种简单的实现是，在每个报文缓存的头部预留空间，用于存放指针，将每个主机的队列通过单链表连接。队列头部（即每个队列的第一个缓存区）通过双向链表连接，方便在某个队列空时删除整个队列。这样，对于每个报文缓存区，我们额外需要3个指针。

对于有限的缓存空间，总会面临耗尽的风险，此时，需要丢弃最长队列的尾部报文，这些报文本就是最后传输。这样为了实现公平性，就需要牺牲发送大量报文的主机的性能。

最后，如果每个队列中包含的报文大小不同，即不同的主机使用不同的报文大小，Nagle队列的公平性将不能保证。