Muduo 网络编程示例之五： 测量两台机器的网络延迟
陈硕 (giantchen_AT_gmail)
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这是《Muduo 网络编程示例》系列的第五篇文章。
Muduo 全系列文章列表： http://blog.csdn.net/Solstice/category/779646.aspx
本文介绍一个简单的网络程序 roundtrip，用于测量两台机器之间的网络延迟，即“往返时间 / round trip time / RTT”。这篇文章主要考察定长 TCP 消息的分包，TCP_NODELAY 的作用。
本文的代码见 http://code.google.com/p/muduo/source/browse/trunk/examples/roundtrip/roundtrip.cc
测量 RTT 的办法很简单：
- host A 发一条消息给 host B，其中包含 host A 发送消息的本地时间
- host B 收到之后立刻把消息 echo 回 host A
- host A 收到消息之后，用当前时间减去消息中的时间就得到了 RTT。
NTP 协议的工作原理与之类似，不过，除了测量 RTT，NTP 还需要知道两台机器之间的时间差 (clock offset)，这样才能校准时间。
以上是 NTP 协议收发消息的协议，RTT = (T4-T1) – (T3-T2)，时间差 = ((T4+T1)-(T2+T3))/2。NTP 的要求是往返路径上的单程延迟要尽量相等，这样才能减少系统误差。偶然误差由单程延迟的不确定性决定。
在我设计的 roundtrip 示例程序中，协议有所简化：
简化之后的协议少取一次时间，因为 server 收到消息之后立刻发送回 client，耗时很少（若干微秒），基本不影响最终结果。
我设计的消息格式是 16 字节定长消息：
T1 和 T2 都是 muduo::Timestamp，一个 int64_t，表示从 Epoch 到现在的微秒数。
为了让消息的单程往返时间接近，server 和 client 发送的消息都是 16 bytes，这样做到对称。
由于是定长消息，可以不必使用 codec，在 message callback 中直接用
while (buffer->readableBytes() >= frameLen) { ... } 就能 decode。
请读者思考，如果把 while 换成 if 会有什么后果？
client 程序以 200ms 为间隔发送消息，在收到消息之后打印 RTT 和 clock offset。一次运作实例如下：
这个例子中，client 和 server 的时钟不是完全对准的，server 的时间快了 850 us，用 roundtrip 程序能测量出这个时间差。有了这个时间差就能校正分布式系统中测量得到的消息延迟。
比方说以上图为例，server 在它本地 1.235000 时刻发送了一条消息，client 在它本地 1.234300 收到这条消息，直接计算的话延迟是 –700us。这个结果肯定是错的，因为 server 和 client 不在一个时钟域（这是数字电路中的概念），它们的时间直接相减无意义。如果我们已经测量得到 server 比 client 快 850us，那么做用这个数据一次校正： -700+850 = 150us，这个结果就比较符合实际了。当然，在实际应用中，clock offset 要经过一个低通滤波才能使用，不然偶然性太大。
请读者思考，为什么不能直接以 RTT/2 作为两天机器之间收发消息的单程延迟？
这个程序在局域网中使用没有问题，如果在广域网上使用，而且 RTT 大于 200ms，那么受 Nagle 算法影响，测量结果是错误的（具体分析留作练习，这能测试对 Nagle 的理解），这时候我们需要设置 TCP_NODELAY 参数，让程序在广域网上也能正常工作。