Как получить и измерить высокоскоростное соединение по TCP

Прежде чем скачать прочьтите статью полность, nuttcp(Готовый пакет для Windows).
Оригинальная конфигурация TCP ограничивает скорость передачи буфером (опция Window Size — «размер окна») и является полем размером в 2^16 байт (до 64 КБайт). Максимальная пропускная способность в данном случае:

Пример: У вас 100 мегабитное соединение к Интернету и до сервера задержка 100 мс.
Стандартным стеком TCP, максимальная скорость передачи данных не превысит 10 Мбит/сек ( 524288 бит / 0.1 сек = 5.24 Мбит/сек не смотря на то что у вас 100 мегабитный линк).

Bandwidth-delay product (BDP)

Производительность TCP в принципе не столько зависит от скорости канала, сколько от так называемом «bandwidth*delay product» или BDP (результат пропускная способность*задержка), который представляет собой число байт необходимых отправителю и получателю для максимального заполнения TCP соединения.
Проблемы производительности возникают в случаях так называемых «длинных и широких труб» (LFN «long fat network»), так как BDP в таком случае превышает размер окна TCP, тем самым ограничивая скорость передачи.

Примером могут служить мобильный интернет или быстрый оптический линк.
Пример расчетов BDP:
a) широкополосный мобильный интернет: 10 Mb/s, 100 ms RTT
B*D = 10^7 b/s * 10^-1 s = 10^6 b, or 1 Mb / 125 kB
b) высокоскоростная наземной сеть: 1 Gb/s, 10 ms RTT
B*D = 10^9 b/s * 10^-2 s = 10^7 b, or 10 Mb / 1.25 MB

Рассчитать BDP можно тут.
”Размер окна” TCP должен превышать BDP для достижение максимальной нагрузки канала.

Оптимизация TCP

усовершенствования протокола
В связи с этим были разработаны расширения протокола, описанные в стандарте TCP Extensions for High Performance (RFC1323), которые призваны решить ограничения.
Среди них:
— TCP Window Scale Option: возможность увеличение Размера Окна до 2^30 (1 ГБайт),
— TCP selective acknowledgment (SACK) options: принимающая сторона указывает какие именно пакеты в потоке подтверждены (положительно или отрицательно) (RFC2018),
— TCP timestamps: улучшение замеров RTT (Round Trip Time Measurement — RTTM), предотвращение накладки порядковых чисел ACK (Prevention Against Wrapped Sequence numbers — PAWS),
— Path MTU discovery: определение максимального MTU на всем пути,
— Explicit Congestion Notification (ECN): указывает на перегрузку пути без сбрасывание пакетов (RFC3168).

Проверить текущие настройки TCP/IP компьютера можно здесь. С подробными процедурами настройки для различных ОС (Windows XP, FreeBSD, Linux, Solaris, Mac OS X), можно ознакомится на сайте центра.

Измерения производительности стека TCP/IP

В сети существуют множество методов измерения скорости подключения к Интернету.
Здесь будет рассмотрен случай с использованием утилиты nuttcp (Готовый пакет для Windows), так как она имеет несколько приятных преимуществ:
— простой и эффективный метод измерения пропускной способности канала через TCP или UDP,
— кроссплатформенная одно-файловая программа (CLI),
— возможность проверки эффективности локального стека TCP/IP (loopback),
— стабильная работа сервера (корректное завершения TCP сессий), без подвисаний и падений
(как в случае с iperf),
— работа клиента из NAT-а.

Пример:

Проверка производительности железа и стека TCP/IP ОС:
C:\> nuttcp.exe -w1m 127.0.0.1
205.0625 MB / 10.00 sec = 172.0189 Mbps 19 %TX 12 %RX

Примеры результатов:
— Intel Core 2 Duo (2 core) @ 1.6 GHz/ 1 GB RAM / Windows XP = 1300/1400 Mbps
— AMD Athlon X2 Dual-Core 4600 @ 2.4 GHz/ 2 GB RAM / Windows 7 = 2000/2100 Mbps
— Intel XEON X5650 (24 cores) @ 2.67GHz/ 8 GB RAM / FreeBSD = 16600/18000 Mbps

Проверяем Download (от сервера к клиенту):
C:\> nuttcp.exe -w128 -r -F –i5 -T15 server-ip
56.0166 MB / 5.00 sec = 93.9803 Mbps
56.0575 MB / 5.00 sec = 94.0489 Mbps
56.0338 MB / 5.00 sec = 94.0090 Mbps

168.2676 MB / 15.00 sec = 94.1020 Mbps 3 %TX 10 %RX

unix# nuttcp -r -F -i5 -T15 server-ip
429.0000 MB / 5.02 sec = 717.3541 Mbps
526.0000 MB / 5.00 sec = 882.0518 Mbps

1371.1741 MB / 15.00 sec = 766.6703 Mbps 26 %TX 39 %RX 3153 host-retrans 0.29 msRTT

Проверяем Upload (от клиента к серверу):
C:\> nuttcp.exe -w128 –i5 -T15 server-ip
55.6250 MB / 5.00 sec = 93.3169 Mbps
55.8125 MB / 5.00 sec = 93.6562 Mbps
55.6875 MB / 5.00 sec = 93.4277 Mbps

167.2500 MB / 15.12 sec = 92.7664 Mbps 17 %TX 6 %RX

unix# nuttcp -i5 -T15 server-ip
422.9375 MB / 5.00 sec = 709.5294 Mbps
420.6875 MB / 5.00 sec = 705.9357 Mbps
456.3750 MB / 5.00 sec = 765.6674 Mbps

1305.3853 MB / 15.06 sec = 727.0077 Mbps 20 %TX 48 %RX 24478 host-retrans 0.29 msRTT

Вместо заключения

В процессе тестирования, нужно помнить что максимальная скорость отдельного TCP соединения определяется различными факторами:
— максимальная пропускная способность самого медленного участка пути,
— время между отправкой запроса и получением ответа (RTT),
— большинство задержек на больших расстояниях вызваны скоростью света в волокне (~ 200 км/мс),
— дополнительные задержки могут возникнуть в момент перегрузки сети или устройства (сервер, рутер, пк),
— автоматическое понижение скорости при обнаружении потерь пакетов (стандартный механизм TCP предотвращения перегрузок),
— отсутствие других негативных эффектов (минимальное количество ошибок битов на физическом уровне (Bit Error Rate<10^-8),
— исправность сетевой карты и корректная работа драйвера),
— один физический линк может нести множество одновременных TCP соединений,
— один хост может иметь несколько одновременных соединений, даже с тем же удаленным хостом (быстро проверить можно с TCPView или TCPEye).

Популярные speedtest-ы обычно работают в связке browser, flash + geo-локация до ближайшего доступного сервера, что создает:
— дополнительную нагрузку на локальную машину (ЦП, память) и сеть (заголовки WWW и т.п.),
— выбор сервера может быть не оптимальным,
— возможность ошибочных результатов.

И на последок, хотелось бы отметить часто встречаемые проблемы с низкой производительностью сети:
— узкое окно TCP (Window Size),
— несоответствие Ethernet Duplex,
— плохой сетевой кабель.