Janela TCP em alta latência: por que o link rende pouco

Por que a latência limita a vazão

O TCP não manda dados à vontade. O receptor anuncia uma janela: quantos bytes ele aceita receber antes de confirmar. O transmissor envia até esse limite e espera a confirmação (ACK). A confirmação só volta depois de um RTT, o tempo de ida e volta.

Então, por fluxo, a vazão máxima é:

vazão = janela ÷ RTT

O campo de janela no cabeçalho TCP tem 16 bits. O maior valor é 65.535 bytes, cerca de 64 KiB. Com RTT de 60 ms, a conta fica:

• 65.535 bytes × 8 = 524.280 bits por RTT
• 524.280 bits ÷ 0,060 s = 8,74 Mbit/s

Não importa se o link tem 1.000 Mbit/s ou 10.000 Mbit/s. Com essa janela, o fluxo fica parado em 8,7 Mbit/s, porque passa a maior parte do tempo esperando ACK.

Passo 1: meça o RTT e calcule o BDP

O BDP (produto banda × atraso) diz quantos bytes cabem "dentro do cano" durante um RTT. O RFC 6349, que descreve testes de vazão TCP, usa o BDP para dimensionar os buffers de envio e de recepção.

BDP (bytes) = banda (bit/s) × RTT (s) ÷ 8

No caso:

• 1.000 Mbit/s = 1.000.000.000 bit/s
• 1.000.000.000 × 0,060 s = 60.000.000 bits
• ÷ 8 = 7.500.000 bytes, ou 7,15 MiB

A janela de 64 KiB é 0,87% desse valor. Por isso o link fica quase vazio.

Use o RTT do caminho real, medido com ping ou com a própria ferramenta de cópia, e não o valor teórico. Se não tiver medição, dá para estimar o mínimo pela distância. A luz na fibra leva cerca de 5 µs por km (aproximação). Uma rota de 3.000 km de fibra (exemplo) tem RTT mínimo de 30 ms, antes de filas e equipamentos.

Passo 2: veja quanto a janela de 64 KiB rende em cada RTT

A tabela usa um link de 1.000 Mbit/s e um fluxo com janela fixa de 65.535 bytes. A vazão é o menor valor entre a banda e a janela ÷ RTT.

Os RTTs da tabela são exemplos. No satélite geoestacionário, só a propagação já pesa: o satélite fica a 35.786 km de altitude, e um RTT passa quatro vezes por essa distância. São 477 ms só de viagem da luz no vácuo, sem contar processamento.

Passo 3: calcule o fator de escala

O RFC 7323 resolve o limite dos 16 bits com a opção Window Scale. As duas pontas anunciam, no SYN, um fator de escala (shift). A janela anunciada passa a ser multiplicada por 2 elevado a esse fator. O RFC limita o fator a 14.

O fator mínimo é o menor número que faz 65.535 × 2^fator alcançar o BDP:

• BDP ÷ janela = 7.500.000 ÷ 65.535 = 114,4
• log2(114,4) = 6,84
• arredondado para cima: fator 7
• janela máxima com esse fator: 65.535 × 128 = 8.388.480 bytes

Com o fator máximo de 14, a janela chega a 1.073.725.440 bytes, perto de 1 GiB. Isso cobre, por exemplo, 85,9 Gbit/s a 100 ms de RTT.

Repare no satélite: o link é 20 vezes mais lento que o do caso, mas o BDP é da mesma ordem, porque o RTT é 10 vezes maior.

Passo 4: confira os buffers do sistema

A opção de escala só abre espaço. Quem decide o tamanho real da janela é o buffer de recepção do sistema operacional. Se o buffer for menor que o BDP, a janela para nele.

Exemplo: se o buffer máximo de recepção estiver limitado a 4 MiB, a conta fica:

• 4.194.304 bytes × 8 ÷ 0,060 s = 559 Mbit/s
• a cópia de 50 GB leva cerca de 12 minutos, contra 7 minutos com o link cheio

No Linux, o terceiro valor de net.ipv4.tcp_rmem é o teto do ajuste automático do buffer de recepção. O padrão muda com a versão do kernel e a memória da máquina, então leia o valor no próprio servidor. Ele precisa ser maior que o BDP, com folga, porque parte do buffer vai para controle interno e não vira janela.

Comandos para conferir:

• sysctl net.ipv4.tcp_window_scaling deve mostrar 1.
• sysctl net.ipv4.tcp_rmem mostra mínimo, padrão e máximo do buffer de recepção.
• ss -ti mostra, por conexão, o RTT medido e o campo wscale com os fatores das duas pontas.
• No Windows, netsh interface tcp show global mostra o nível do ajuste automático da janela de recepção.

Passo 5: calcule o resultado esperado

Com a janela acima do BDP, o limite volta a ser o link. Mesmo assim, nem todo bit é dado útil. Num quadro Ethernet de 1500 bytes de MTU com timestamps TCP ligados:

• carga útil por segmento: 1500 − 20 (IP) − 20 (TCP) − 12 (timestamps) = 1.448 bytes
• bytes no fio por quadro: 1500 + 14 (cabeçalho) + 4 (FCS) + 8 (preâmbulo) + 12 (intervalo) = 1.538 bytes
• eficiência: 1.448 ÷ 1.538 = 94,1%
• vazão útil máxima: 941,5 Mbit/s

Esse é o teto teórico sem perda. Perda de pacotes reduz a janela de congestionamento do transmissor, um limite separado da janela de recepção, e a vazão cai abaixo desses números.

Erros comuns

• Culpar a operadora pelo teste de um fluxo só. Um teste com um único fluxo TCP mede a janela, não o link. Antes do chamado, calcule janela ÷ RTT e compare.
• Achar que mais banda resolve. Com janela de 64 KiB e 60 ms, um link de 10.000 Mbit/s rende os mesmos 8,74 Mbit/s por fluxo.
• Equipamento no caminho que remove opções TCP. A escala só vale se as duas pontas enviarem a opção no SYN. Um firewall ou otimizador que apaga a opção deixa a janela presa em 64 KiB. Confira o wscale nas duas pontas com ss -ti ou numa captura do handshake.
• Buffer fixo na aplicação. No Linux, uma aplicação que fixa o buffer do socket (SO_RCVBUF) desliga o ajuste automático daquela conexão. Se o valor fixo for menor que o BDP, ele vira o limite.
• Confundir Mbit/s com MB/s. 941 Mbit/s são 118 MB/s na tela da ferramenta de cópia.
• Usar o RTT do ping em horário vazio. Com fila, o RTT cresce e o BDP também. Dimensione com o RTT do horário da cópia.

Checklist rápido

1. Meça o RTT real no horário do tráfego.
2. Calcule o BDP: banda × RTT ÷ 8.
3. Confirme que a escala de janela está ligada e aparece nas duas pontas.
4. Confirme que o buffer máximo de recepção é maior que o BDP.
5. Teste de novo e compare com a vazão útil esperada de 941 Mbit/s.

Perguntas frequentes

Qual é o tamanho máximo da janela TCP?

Sem a opção de escala, 65.535 bytes, porque o campo tem 16 bits. Com o fator máximo de 14 do RFC 7323, 1.073.725.440 bytes, perto de 1 GiB.

Quanto rende um link de 1 Gbit/s com 100 ms de RTT sem escala de janela?

Cerca de 5,24 Mbit/s por fluxo: 524.280 bits ÷ 0,1 s. Isso é 0,52% do link.

Abrir vários fluxos em paralelo resolve?

Ajuda, porque cada fluxo tem sua janela. Mas, no caso de 60 ms, seriam precisos 115 fluxos de 64 KiB para somar o BDP de 7.500.000 bytes. Ligar a escala de janela é bem mais simples.

Qual fator de escala preciso para 10 Gbit/s com 60 ms?

O BDP é 75.000.000 bytes. Dividido por 65.535 dá 1.144, e o log2 arredondado para cima dá fator 11. A janela máxima fica em 134.215.680 bytes.

Por que o link via satélite rende pouco mesmo com banda baixa?

Porque o RTT é alto. A 50 Mbit/s e 600 ms, o BDP é 3.750.000 bytes. Com janela de 64 KiB, o fluxo fica em 0,87 Mbit/s, ou 1,7% do link.

Refaça a conta com a sua banda, o seu RTT e o tamanho do arquivo na calculadora de tempo de transferência.

Leia também: Por que a janela TCP limita a velocidade em links longos