TCP(II) 超时重传

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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。当然这毕茄含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。

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 的手笑设置一直都是研究热点。

所以凭我们的直觉，RTO 应该比 RTT 稍大：

​ RTO=RTT+Δt

那么，RTT 怎么算呢：

​ SRTT=(1−α)×SRTT+α×RTTnew

SRTT(smooth RTT)，RTTnew 是新测量的值。如上，为了防止 RTT 抖动太大，给了一纳空个权值 a ，也叫平滑因子。a 的值建议在 10%~20%。举个例子，当前 RTTs=200ms，RTTs=200ms，最新一次测量的 RTT=800ms，RTT=800ms，那么更新后的 RTTs=200×0.875+800×0.125=275ms，RTTs=200×0.875+800×0.125=275ms.

Δt 如何得到呢？RFC 2988 规定：

​ RTO=SRTT+4×RTTD

因此，按照上面的定义， Δt=4×RTTD . 而 RTTD 计算公式如下：

​ RTTD=(1−β)×RTTD+β×|SRTT−RTTnew|

实际上，RTTD 就是一个均值偏差，它就相当于某个样本到其总体平均值的距离。这就好比你的成绩与你班级平均成绩差了多少。RFC 推荐 β=0.25。

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：

如上，在时间为0.22531时开始第一次重传，此后重传时间开始指数增大，（在尝试了8次后停下，说明其 R2 的值可能为8）。

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。

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，但是我们收到了 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 。

假设有三个数据包依次发送，1号和3号先到达，2号数据包由于网络因素最后到达。接收方收到3号时，会发送一个1号的冗余 ACK，然后2号到达，此时会发送一个3号的累积 ACK 表明这三个到达。在这个例子里，3号 ACK 并没有立即返回，发送方收到3号的 ACK 后，根据其 TSER 计算此时的 RTT，就会导致发送方过高的估计 RTT，降低重传积极性，使得 RTO 相应增大，当然这在失序时是有好处的，因为过分积极会导致大量的伪重传。

如下图，在发送第四个 ACK 后出现延迟高峰，导致发送方在 RTO 时间内没有收到 5 ~ 8 的 ACK，于是发生重传，然后之前的 ACK 到达，于是又依次发送 6 ~ 8，就导致了不必要的重传。可以用 Eifel 算法来解决（略）。

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从前面可以看出，TCP 可以学习链路特征，如 RTT、SRTT 等，但一旦连接关闭，这些信息就会丢失。即使相同的接收方与发送方建立新的连接，也必须从头开始“学习”。较新的 TCP 实现维护了这些值，在 Linux 中可以通过如下命令查看：

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。

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。

当然快速重传也会造成一些问题。在轻微失序的情况下(左图)，不会有什么影响。但在严重失序时(右图)，4号数据包延迟到达，接收方发送 4 个冗余 ACK ，让发送方认为 4 号分组丢失，造成伪快速重传。

尽管可能性较小，但 IP 协议也可能将单个包传输多次。假如 IP 协议将一个包传输了 4 次，然后发送方接收到 3 个冗余 ACK ，也会让发送方以为分组丢失，导致伪快速重传。

在上一篇文章中提到过 TCP 的 SACK 选项，它通过若干个 SACK 块来帮助发送方知道接收方有哪些空缺，可以减少不必要的重传。

接收端在 TCP 连接建立期间收到 SACK 选项即可生成 SACK。通常来说，当收到失序报文段，接收方就会生成 SACK。

第一个 SACK 块包含的应该是 最近收到的 报文段的序列号范围。由于 SACK 选项空间有限，应尽可能向发送方提供最新信息。其余的 SACK 按先后顺序依次排列，也就是说，该 ACK 报文段除了包含最新接收的序列号信息，还应重复之前的 SACK 信息。这是因为 ACK 报文段是没有重发机制的，可能会丢失，重复提高了其鲁棒性。

发送方应该充分利用 SACK 信息来进行重传，称为 选择性重传 。发送方记录累积 ACK 信息和 SACK 信息，当接收到相应序列号范围内的 ACK 时，在其重传缓存中标记该报文段重传成功。

对一个连接而言，若能够了解端点间的传输往返时间（RTT，Round Trip Time），则可根据RTT来设置一合适的RTO。显然，在任何时刻连接的RTT都是随机的，无法事先预知。TCP通过测量来获得连接当前RTT的一个估计值，并以该RTT估计值为基准来设置当前的RTO。自适应重传算法的关键就在于对当前RTT的准确估计，以便适时调整RTO。

为了搜集足够的数据来精确地估算当前的RTT，TCP对每个报文都记录下发送出的时间和收到的确认时间。每一个（发送时间，确认时间）对就可以计算出一个RTT测量值的样本（Sample RTT）。TCP为每一个活动的连接都维护一个当前的RTT估计值。该值是对已经过去的一个时间段内该连接的RTT了两只的加权平均，并作为TCP对连接当前实际的RTT值的一种估计。RTT估计值将在发送报文段时被用于确定报文段的RTO。为了保证它能够比较准确地反应当前的网络状态，每当TCP通过测量获得了个新的RTT样本时，都将对RTT的估计值进行更新。不同的更新算法或参数可能获得不同的特性。

最早的TCP曾经用了一个非常简单的公式来估计当前网络的状况，如禅嫌下

R<-aR+(1-a)MRTP=Rb其中a是一个经验系数为0.1，b通常为2。注意，这是经验，没有推导过程，这个数值是可以被修改的。这个公式是说用旧的RTT(R)和新的RTT (M)综合到一起来考虑新的RTT(R)的大小。但又可以看到，这种估计在网络变化很大的情况下完全不能做出“灵敏的反应”，于是就有下面的修氏御正公式：

Err=M-AA<-A+gErrD<-D+h(|Err|-D)RTO=A+4D，这个递推公式甚至把方差这种统计概念也使用了进来，使得偏差更加的小。而且，贺核手必须要指出的是，这两组公式更新，都是在 数据成功传输的情况下才进行，在发生数据重新传输的情况下，并不使用上面的公式进行网络估计，理由很简单，因为程序已经不在正常状态下了，估计出来的数据 也是没有意义的。

Windows 提供了一种机制来控制初始重新传输的时间，并重新传皮段锋输时间然后动态地自行调整。若要更改的初始重新传输时间，修改以下注册表值。

更改 Windows 2003 和 Windows XP 中，Windows 2000 中的燃晌以下子项：HKEY_LOCAL_MACHINE\System\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters\Interfaces\适配器 IDValue Name: TCPInitialRtt

Data Type: REG_DWORD

Valid Range: 300-65535 (milliseconds in decimal)

Default: 0xBB8 (3000 milliseconds expressed in hexadecimal)

说明： 此参数控制 TCP 使用对每个燃旅新连接的初始重新传输超时。它适用于连接请求 (SYN) 和每个连接发送的第一个数据段。例如的"十进制 5000"值数据将初始的重新传输时间设置为 5 秒。

注意： 您可以增加将初始超时的值。降低此值不受支持。

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