TCP的超时与重传

1. 背景与原理

超时重传是TCP协议保证数据可靠性的一个重要机制，其原理是在发送某一个数据之后就开启一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送的数据包的ACK报文，那么就重新发送数据，直到发送成功为止。

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2. 往返时延的估计和超时

超时间隔长度的设计是超时/重传机制的核心部分，显然，超时间隔必须大于TCP连接的往返时延（RTT），即从一个报文段发出到收到其确认时。超时时间过长会造成网络利用率不高，过短会造成多次重传，使得网络阻塞。

2.1 估计RTT

• 报文段的样本RTT（SampleRTT）就是从某报文段被发出到对该报文段的确认被收到之间的时间值。大多数TCP的实现仅在某个时刻做一次SampleRTT的测量，而不是为每个发送的报文段测量一个SampleRTT 。TCP维持一个SampleRTT均值（EstimatedRTT） 一旦获得一个新的SampleRTT, TCP会根据下面的公式更新EstimatedRTT
  EstimatedRTT=（1-a）*EstimatedRTT+a *SampleRTT

  a的值一般为0.125。

• 除了估算RTT外，测量RTT的变化也是有意义的。我们定义DevRTT,用于估算SampleRTT 偏离EstimatedRTT的程度：
  DevRTT=(1-b) * DevRTT+b * |SampleRTT-EstimatedRTT|

  b的值一般为0.25

2.2 设置和管理重传超时间隔

假设已经得到EstimatedRTT和DevRTT值，TCP超时间隔应该怎么设置？很显然，超时间隔应该大于等于EstimatedRTT，否则将造成不必要的重传。但是超时间隔也不应该比EstimatedRTT大太多，否则当报文段丢失时，TCP不能很快地重传报文段，从而将给上层应用带来很大的数据传输时延。因此，要求将超时间隔设置为EstimatedRTT加上一定余量。当SampleRTT值波动大时，这个余量应该大些，反之，则小。一般使用下面的公式去更新：
TimeoutInterval (RTO) = EstimatedRTT+4*DevRTT

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3. 快速重传

超时触发重传的一个问题是超时周期可能相对较长，那么当一个报文段丢失时，这种长超时周期迫使发送方等待很长时间才重传丢失的分组，因而增加了端到端的时延。故如果在发生数据丢包的情况下，如果TCP发送方接收到对相同数据的3个冗余的ACK,它就认为跟在这个已被确认过3次的报文段之后的报文段已经丢失。一旦收到3个冗余的ACK，TCP就执行快速重传，即在其定时器过期之前重传该报文段。

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4. TCP拥塞控制

4.1 流量控制与拥塞控制

流量控制是一个速度匹配服务，即发送方的发送速率与接收方应用程序的读速率的匹配。而拥塞控制是因IP网络的拥塞而遏制发送方的速率。TCP通过让发送方维护一个接收窗口（RcvWindow）的变量来提供流量控制，即接收窗口告诉发送方，该接收方还有多少可用的缓存空间。

这里需要注意的是，当接收方的接收窗口为0时，即接收缓存已经存满，发送方继续发送确认报文，最后接收方缓存将开始清空，并且确认报文里将包含一个非0的RcvWindow值。

TCP拥塞控制机制让连接的每一段都记录一个额外的变量，即拥塞窗口（CongWin）,它对一个TCP发送方能向网络发送流量的速率进行了限制。

4.2 拥塞控制算法

4.2.1 加性增，乘性减

• 加性增，即当TCP发送方察觉到网络无拥塞时，采取的增大发送速率的策略，一般是每次它收到一个确认后就把CongWin增加一点，其目标是在每个RTT内CongWin增加一个MSS.
• 乘性减，即当TCP发送方察觉到网络拥塞时，采取降低发送速率的策略，每发生一次丢包事件就将当前的CongWin减半。

4.2.1 慢启动

TCP发送方在初始阶段不是线性增加其发送速率，而是以指数速度增加，每过一个RTT将CongWin值翻倍。TCP发送方继续以指数速度增加其发送速率，直到发生一个丢包事件为止，此时CongWin将被降为一半，然后线性增长。

何时结束指数增长？
1. 如果存在一个由超时指示的丢包事件（拥塞），TCP发送方将拥塞窗口(cwnd)设为1并重新开始慢启动过程。并且它将第二个状态变量的值ssthresh (慢启动阈值)设置为cwnd/2,即当检测到拥塞时将ssthresh设置为拥塞窗口值的1/2;
2. 当cwnd的值等于ssthresh时，结束慢启动并且TCP转移到拥塞避免模式。
3. 如果检测到3个冗余的ACK，TCP执行快速重传，并进入快速恢复状态。

快速恢复算法：

1. 当收到第3个重复的ACK时，将ssthresh设置为当前拥塞窗口cwnd的一半。重传丢失的报文段。设置cwnd为ssthresh加上3倍报文段的大小。
2. 每次收到另一个重复的ACK，cwnd增加1个报文段大小并发送1个分组
3. 当下一个确认新数据的ACK到达时，设置cwnd为ssthresh。

下图中TCP Reno算法就综合了快速恢复算法。当丢包事件发生时（收到3个重复的ACK），拥塞窗口的值为12MSS,那么cwnd设置为3+12/2=9MSS，结束慢启动阶段，进入拥塞避免阶段，线性增长cwnd。

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另外注意的两点：

1. 当给定连接返回ICMP差错时，TCP会忽略ICMP的差错并坚持重传。

2. 当TCP超时并重传是，它不一定要重传同样的报文段，相反，TCP允许进行重新分组而发送一个较大的报文段，这样有助于提高性能。