TCP 可靠传输的实现（二）TCP的重传机制

Posted 2023-05-09

参考技术A TCP使用可靠的传输协议，即意味着必须按序、无差错的传送数据到目的端，那么如果在传输过程中发送的包丢失了该怎么办？TCP的重传机制就是：如果发送方认为发生了丢包现象就重发这些数据包。显然，我们需要一个方法去 猜测是否发生了丢包 。最简单的想法就是，接收方每接收到一个包就向发送者返回一个ACK，表示自己已经收到了这段数据，反过来，如果发送方一段时间内没有收到ACK，就知道 很可能是数据包丢失 了，紧接着就重发该数据包，直到收到ACK为止。

为什么是 猜测 呢？ 因为即使是超时了，这个数据包也可能并没有丢，它只是绕了段远程，来的很晚而已。毕竟TCP协议是位于传输层的协议，不可能明确知道数据链路层和物理层发生了什么。但是这并不妨碍我们的超时重传机制，因为接收方会自动忽略收到的重复的包。

下面我们具体讲一讲TCP的重传机制：

这种机制下，每个数据包都有相应的计时器，当超过指定的时间后，没有收到对方的 ACK 确认应答报文就会重发该数据包。

超时时间应该设置为多少

我们先来了解一下 RTT (Round-Trip Time 往返时延)

而超时时间是以 RTO（Retransmission Timeout 超时重传时间） 表示。

超时时间不宜设置的过长或过短，否则：

综上可知，RTO设置的值应该略大于RTT的值。

RTO值的计算：

https://blog.csdn.net/JXH_123/article/details/27345151

值得注意的是：每触发一次超时重传，都 会将下一次超时时间间隔设为先前值的两倍 。遇到超时说明网络环境差，不宜频繁发送。

Wireshark 抓包显示：

超时重传存在的问题是：

 当一个报文段丢失时，会等待一定的超时时间后才重传，增加了端到端的时延；

 当一个报文段丢失时，在其等待超时的过程中，可能会出现这种情况： 其后的报文段已经被接收端接收但却迟迟得不到确认，发送端就也以为丢失了，从而引起不必要的重传，既浪费时间也浪费资源。（例如： 数据包5丢失，数据包6、7、8、9都已到达接收方，这个时候客户端只能等服务端发送ACK，因此对于客户端来说，它完全不知道丢了几个包，可能就悲观的认为：5后面的数据包都丢了，就重传这5个数据包，这就比较浪费了）。

刚刚提到过，基于计时器的重传往往要等待很长时间，而快速重传使用了很巧妙的方法来解决这个问题。

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

由于TCP采用的是累计确认机制，当接收端收到比期望序号大的报文段时，便会重复发送最近一次确认的报文段的确认号，即 冗余 ACK (Duplicate ACK)。

这样，如果在超时重传定时器溢出之前，接收到连续的三个重复冗余 ACK (第一个ACK是正常的，后三个是冗余的)，发送端便知晓哪个报文段在传输过程中丢失了，于是重发该报文段，而不需要等待超时重传定时器溢出，大大提高了效率。

Wireshark 抓包显示：

但是，快速重传仍然没有解决第二个问题：到底该重传多少个包？

改进的方法就是 SACK (Selective Acknowledgment)，简单来说就是在快速重传的基础上，返回最近收到的报文段的序列号范围，这样客户端就知道，哪些数据包已经到达服务器了。

看下例子：

存在 SACK 选项时

当500-599报文到达，接收方发送  ACK 200  ，SACK [500,600)

当600-699报文到达，接收方发送  ACK 200  ，SACK [500,700)

当700-799报文到达

当800-899报文到达

当900-999报文到达，接收方累积确认发送  ACK 200  ，SACK [500,1000)

连续收到3个重复ACK，发送方经检查发现200-499的数据丢失了，执行快速重传，待接收方接收到200-499的数据，并返回 ACK 1000时，发送方的所有数据均已确认完毕，移动滑动窗口到1000位置处。

使用 SACK可以告知发送方 收到了哪些数据，发送方收到这些消息后就会知道哪些数据丢失，然后立即重传丢失的部分。

需要注意的是： 只有收到失序的分组时才可能会发送SACK 。

SACK 包括了两个TCP选项，一个选项用于标识是否支持 SACK（SACK_Permitted），在TCP建立连接时发送；另一种选项则包含了具体的 SACK信息。

（1）SACK_Permitted 选项

该选项只允许在TCP连接建立时，有 SYN标志的包中设置，在连接建立阶段，主动发起连接的一方在它的SYN中指定选项。只有在它从另一方的SYN中收到了这个选项之后，SACK机制才会被使能。

（2）SACK 信息选项

SACK 选项参数告诉对方 已经接收到 并缓存的不连续的数据块，发送方可据此信息检查究竟是哪个块丢失，从而发送相应的数据块。

 Left Edge：本区块的第一个序号。 Right Edge：本区块的最后序号的下一个序号。

[Left Edge, Right Edge)区间的ACK 序号表示本次确认收到的序号。

问题1：SACK选项最多能包含多少个需重传的块？

       由于TCP首部的最大长度为 60 byte，而固定首部占用了 20 byte，对于SACK选项本身占用了2 byte，所以剩下 60-20-2=38 byte。而每个块（包括开始和结束）占用 8 byte，所以最多可标识的块数为 38/8 = 4块，所以 SACK 最多可以包括4个需重传的块。同时由于SACK有些时候会和时间戳（占10字节）一起用，因此，此种情况下最多只有3个SACK。

问题2：SACK选项的使用规则是怎么样的？

SACK 的发送方，即 报文的接收端

第一个块需要指出是哪一个到达的报文触发的 SACK

尽可能多的把所有的块填满

SACK 要报告最近接收的不连续的数据块

SACK 的接收端，即 报文的发送端：

数据没有被确认前，都会保持在滑动窗口内

每个数据包都有一个 SACKed 的标志，对于已经标示的报文，再次接收到时会忽略

 如果SACK丢失，超时重传之后，重置所有数据包SACKed 标志

DSACK是在SACK的基础上做了一些 扩展 ，主要用于对收到的 重复报文 进行了处理。

它的主要作用是：告诉发送方有哪些数据被重复接收了。

DSACK同样使用了与SACK一样的报文格式，唯一区别在于： 第一个连续的block指定的是触发DSACK的重复报文的序号空间。如果第一个段的范围被ACK范围所覆盖，那么就是DSACK。或者，第一个段的范围被SACK的第二个段覆盖，那么就是DSACK。

引入DSACK的好处有：

1）可以让发送方知道，是发出去的包丢了，还是回来的ACK包丢了；

2）是不是自己的 timeout 设置太小了，导致重传；

3）网络上出现了先发的包后到的情况（又称数据包失序）；

4）网络上是不是把我的数据包给复制了；

总之，DSACK的目的是帮助发送方判断，是否发生了包失序、ACK丢失、包重复或伪重传，让TCP可以更好的做网络流量控制。

超时重传机制能解决数据包丢失的问题，但是超时重传机制存在等待时间太长，浪费时间在等待上，降低了传输效率和无法知道需要重传哪些数据包的问题。 快速重传能解决超时重传的等待时间太长的问题，但是对于究竟该重传哪些包的问题仍然不能有效解决。SACK能需要重传哪些数据包的问题，它可以知道哪些包是被确认接收的，客户端能据此判断需要重传的包。DSACK则是作为SACK的一个辅助措施，可以用来判断网络究竟是出现了什么情况，据此做好网络流量控制。

TCP/IP 协议——十四章：TCP超时与重传

由于下层网络层（IP）可能出现丢失、重复或失序包的情况，TCP 协议提供可靠数据传输服务。为保证数据传输的正确性，TCP 重传其认为已经丢失的包。TCP 有两套重传机制，一是基于定时器（超时），二是基于确认信息的构成（快速重传）。

基于计时器的重传

TCP在发送数据时会设置一个计时器，若至计时器超时仍未收到数据确认信息（ACK），则会引发相应的超时或基于计时器的重传操作，计时器超时称为重传超时（Retansmission　Timeouts，RTO）。

图中黑色那条就是因为定时器超时仍没有收到 ACK，所以引起了发送方超时重传。

实际上， TCP 有两个阈值来决定如何重传同一个报文段：一是愿意重传的次数 R1、二是应该放弃当前连接的时机 R2。R1 和 R2 的值应分别至少为 3 次和 100 秒，如果超过任何一个但还没能重传成功，会放弃该连接。当然这两个值是可以设置的，在不同系统里默认值也不同。

 

那么如何设定一个合适的超时的值呢？假设 TCP 工作在静态环境中，这很容易，但真实网络环境不断变化，需要根据当前状态来设定合适的值。

１、设置重传超时（RTO）

RTO（retransmission timeout）一般是根据RTT（round trip time）也就是往返时间来设置的。

若 RTO 小于 RTT，则会造成很多不必要的重传；

若 RTO 远大于 RTT，则会降低整体网络利用率，RTO 是保证 TCP 性能的关键。并且不同连接的RTT不相同，同一个连接不同时间的 RTT 也不相同，所以 RTO 的设置一直都是研究热点。

凭我们的直觉，RTO 应该比 RTT 稍大：

? RTO=RTT+Δt

那么，RTT 怎么算呢：

? SRTT=α（SRTT）+（１－α）RTTnew

SRTT(smooth RTT)，RTTnew 是新测量的值。如上，为了防止 RTT 抖动太大，给了一个权值 a ，也叫平滑因子。a 的值建议在 ８０%~９０%。举个例子，当前 SRTT=200ms，最新一次测量的 RTTnew=800ms，那么更新后的 SRTT=200×0.875+800×0.125=275ms．

根据前面求的SRTT计算出RTO：

RTO = min(ubound, max(lbound, (SRTT)β))

β是时延离散因子，推荐值1.3~2.0。 ubound是RTO上边界，lbound是下边界。这种计算方法就是经典方法。它是的RTO值设置为１ｓ或约两倍的SRTT。

这种方法缺点就是没法适应大规模的变动(网络不稳定情况)。

２、退避指数

根据前面的公式，我们可以得到 RTO。一旦超过 RTO 还没收到 ACK，就会引起发送方重传。但如果重传后还是没有在 RTO 时间内收到 ACK，这时候会认为是网络拥堵，会引发 TCP 拥塞控制行为，使 RTO 翻倍。则第 n 次重传的 RTOn 值为：

? RTOn=2^(n−1)×RTO1

下图是一个例子：

３、带时间戳的 RTT 测量

前面说了 RTO 的公式，它和 RTT 有关，那么每一次的 RTT 是如何得到的呢？

在之前 TCP 连接管理的时候讲过，TCP有一个 TSOPT (timestamp option) 选项，它包含两个时间戳值。它允许发送者在报文中带上一个32比特的时间戳值（TSV），然后接收方将收到的值原封不动的填入 ACK 报文段中 TSOPT 选项的第二部分，时间戳回显字段（TSER）。发送方收到 ACK 以后，将当前时间戳减去 TSOPT 选项的 TSER 就可得到精确的RTT值。

但是这里有很微妙的细节：接收方在收到数据包后，并不是立即发送 ACK，通常会延时“一小会儿”，多等待几个数据包后返回一个累积 ACK。此时接收方将确认时间最近的报文段的 TSV 填入 TSER 发送给发送方。

４、重传二义性与 Karn 算法

还有另一个重要的细节，如果测量 RTT 的样本出现了超时重传，导致我们收到　ACK 时无法分辨是对哪一次的确认，这时候 RTT 的值可能是不正确的。

因此，Karn 算法规定：此时不更新 RTTnew 的值。并且如果发生再次重传，则采用退避后的 RTO 的值，直到发送成功，退避指数重新设定为 1 。

 

基于确认信息的重传（快速重传）

在大多数情况下，计时器超时并触发重传是不必要的，也不是期望的，因为 RTO 通常是大于 RTT（约2倍或更大），因此基于计时器的重传会导致网络利用率降低。

快速重传机制基于接收端的反馈信息来引发重传，与超时重传相比，快速重传能更加及时有效的修复丢包情况。

首先我们要知道，接收方收到失序报文段时，应立即生成确认信息（重复 ACK），以便发送方尽快、高效地填补空缺。而发送方在收到重复 ACK 时，无法判断是由于数据包丢失还是仅仅因为延迟，所以发送方等待一定数目的重复 ACK （重复 ACK 阈值，dupthresh），这时可以认为是数据包丢失，即便还未超时，也立即发送丢失的分组。

 

所以快速重传概括如下：TCP 发送方在观测到至少 dupthresh ( 通常是 3 ) 个重复 ACK，立即重传，而不必得到计时器超时。当然也可以同时发送新的数据。

如下图所示：