网络3️⃣TCP-可靠性-重传机制

TCP 实现可靠传输，离不开序列号与确认应答。

• SEQ：Sequence Number
• ACK：Positive Acknowledgement

• 当发送端的数据到达接收方主机时，会返回一个确认应答消息，代表已收到消息。
• 如果数据包在传输过程中丢失，TCP 会采用重传机制。
  • 超时重传
  • 快速重传
  • SACK
  • D-SACK

1、超时重传

1.1、超时重传

Timeout Retransmission：发送数据时设定一个定时器。

超过指定时间未收到对方的 ACK 报文，就会重发该数据。

发生超时重传的场景：

• 数据包丢失：对方根本没收到数据包，更不可能发送 ACK。

• 确认应答丢失：对方发送的 ACK 丢失。

  

1.2、相关概念

1.2.1、往返时延 RTT

往返时延（Round-Trip Time）：数据发送时刻到接收到确认时刻的差值。

i.e. 包的往返时间。

1.2.2、重传超时 RTO

重传超时（Retransmission Timeout）：即超时重传时间

精确测量 RTO 值是非常重要的，可以使得重传机制更高效。

• RTO 过大：重发慢，丢包很久才重发。👉效率低，性能差。

• RTO 过小：重传快，还没丢就重发。👉增加网络拥堵，导致更多超时和重发。

  

Hint：RTO 值应略大于 RTT 值。

RTT 值经常变化，因此 RTO 是一个动态变化的值。

1.3、RTO 计算

Linux 中计算 RTO 的步骤

1. 采样 RTT：TCP 采样 RTT 并进行加权平均，计算出一个平滑的、动态变化的 RTT 值。
2. 采样 RTT 偏差（aka. 抖动）：即 RTT 波动范围，避免 RTT 出现较大波动。

RFC6289 建议的 RTO 计算公式：

• SRTT：计算的平滑的 RTT 值。
• DevRTR：SRTT 与最新 RTT 的差值。

• 根据大量实验结果，Linux 中 α = 0.125，β = 0.25， μ = 1，∂ = 4。

• 超时重发时，会将下一次超时时间间隔设置为之前的 2 倍（避免在网络环境差的情况下频繁重发）。

  

1.3、不足

超时重传的不足：超时周期相对较长。

👇 快速重传机制，可解决超时重发的时间等待。

2、快速重传

快速重传（Fast Retransmit）：不以时间为驱动，而是以数据驱动重传。

当连续收到三个相同的 ACK 报文时，重传丢失的报文段。

（此时还未到超时重传定时器的过期时间，因此效率更高）

2.1、工作流程

示例：发送方先后发出 5 份数据，但 Seq2 丢失。

• Seq1：接收方收到 Seq1，回复 ACK2（代表下一个期望收到的报文 Seq=2）

• Seq2：丢失

• Seq3：接收方收到 Seq3，检查 Seq 不是期望收到的 2，仍回复 ACK2。

• Seq4、Seq5：同理，接收方会回复 ACK2。

• 发送方收到 3 个相同的 ACK 报文（ACK2），重传 Seq2。

  

2.2、不足

快速重传解决了超时时间过长的问题，但仍存在问题。

无法明确重传哪些报文。

示例：发送方先后发出 5 份数据，但 Seq2 和 Seq3 丢失。

• Seq1：接收方回复 ACK2（代表下一个期望收到的报文 Seq=2）。
• Seq2 和 Seq3：丢失
• Seq4 和 Seq5：接收方检查 Seq 不是期望收到的 2，先后回复两次 ACK2。

重传哪些报文？

• 仅 Seq2：效率低。因为 Seq3 还需要经历 3 次重复的 ACK 才能触发重传。
• Seq2 后的所有：资源浪费。Seq4 和 Seq5 重复发送了。

👇 SACK 方法，可以选择性重传。

3、SACK

选择性确认（Selective Acknowledgment）：

在 TCP 首部的选项字段里添加 SACK。

3.1、SACK 方法

SACK 方法：使用 SACK 告知发送方已接收的数据。

• 发送方触发快速重传时，根据接收方的 SACK 信息来重传丢失的数据。
• 在 Linux 中通过 net.ipv4.tcp_sack 控制（Linux 2.4 后默认开启）。

示例

• 发送方收到了三次同样的 ACK 报文（ACK200），触发快速重发机制。

• 通过 SACK 信息发现 200~299 数据丢失，则重发此 TCP 段。

  

3.2、D-SACK

Duplicate SACK：使用 SACK 告知发送方重复接收的数据。

• 发送方触发超时重传时，根据接收方的 SACK 信息来得知数据已被接收（没有丢失）。
  • 可能是 ACK 丢失，而不是数据丢失。
  • 可能是数据遭遇网络延迟。
• 在 Linux 中通过 net.ipv4.tcp_dsack 参数控制（Linux 2.4 后默认开启）。

① ACK 丢失

场景：接收方收到数据了，但是 ACK 报文丢失

• 发送方：迟迟没有接收到 ACK 报文，触发超时重传（第一个数据包 3000~3499）。

• 接收方：发现数据重复接收，回复一个包含 SACK 的 ACK 报文。

  • SACK=3000~3500：代表重传的这一段数据已接收（这里的 SACK 就是 D-SACK）。
  • ACK=4000：代表 4000 之前的数据已被接收。

• 发送方：得知数据没有丢失，是 ACK 丢失。

  

② 网络延迟

场景：发送方的某个包被网络延迟了，导致接收方没有发出相应的 ACK 报文。

（但其它包正常接收）

• 500~999：正常接收，ACK1000。
• 1000~1499：网络延迟，接收方不会 ACK。
• 1500~1999, 2000~2499, 2500~2999：
  • ACK1000：代表期望收到 seq1000 的数据。
  • SACK：代表已接收的数据（此处是 SACK 方法，标识已接收）。
• 发送方：连续收到 3 个相同的 ACK 报文，触发快速重传（重传后的报文已被接收）。
• 被延迟的数据（1000~1499）：到达接收方，接收方回复一个包含 SACK 的 ACK 报文。
  • SACK=1000~1500：代表重传的这一段数据已接收（此处是 D-SACK，标识数据重复接收）。
  • ACK=3000：代表 3000 之前的数据已被接收。

对比：

• SACK 方法：通过 SACK 得知哪些数据已经被接收，从而确定要重传的数据。
• D-SACK：通过 SACK 得知哪些数据已经被接收，从而得知数据已被接收（无需重传）。