TCP-IP协议详解(11) TCP重传

TCP协议是一个可靠的协议。它通过重新发送(retransmission)来实现TCP片段传输的可靠性。简单的说，TCP会不断重复发送TCP片段，直到片段被正确接收。

TCP片段丢失

TCP头部的checksum

接收方(receiver)可以通过校验TCP片段头部中checksum区域来检验TCP片段是否出错。我们已经接触过了IP协议详解的checksum算法。TCP片段的checksum算法与之类似。IP协议的checksum只校验头部，TCP片段头部的checksum会校验包括IP头部、TCP头部和TCP数据在内的整个序列，确保IP地址、端口号和其他相关信息正确。如果TCP片段出错，接收方可以简单的丢弃改TCP片段，也就相当于TCP片段丢失。

TCP片段包裹在一个IP包中传输。IP包可能在网络中丢失。导致IP包丢失的原因可能有很多，比如IP包经过太多的路由器接力，达到hop limit；比如路由器太过拥挤，导致一些IP包被丢弃；再比如路由表(routing table)没有及时更新，导致IP包无法送达目的地。

下面我们要介绍两种重新发送TCP片段的机制：超时重新发送和快速重新发送。

超时重新发送

我们之前已经简单介绍过重新发送的机制：当发送方送出一个TCP片段后，将开始计时，等待该TCP片段的ACK回复。如果接收方正确接收到符合次序的片段，接收方会利用ACK片段回复发送方。发送方得到ACK回复后，继续移动窗口，发送接下来的TCP片段。如果直到计时完成，发送方还是没有收到ACK回复，那么发送方推断之前发送的TCP片段丢失，因此重新发送之前的TCP片段。这个计时等待的时间叫做重新发送超时时间(RTO, retransmission timeout)。

RTO：沙漏中沙子的多少

发送方应该在等待多长时间之后重新发送呢？这是重新发送的核心问题。上述过程实际上有往返两个方向：1. 发送片段从发送方到接收方的传输，2. ACK片段从接收方到发送方的传输。整个过程实际耗费的时间称做往返时间(RTT, round trip time)。如果RTT是固定的，比如1秒，那么我们可以让RTO等于RTT。但实际上，RTT的上下浮动很大。比如某个时刻，网络中有许多交通，那么RTT就增加。在RTT浮动的情况下，如果我们设置了过小的RTO，那么TCP会等待很短的时间之后重新发送，而实际上之前发送的片段并没有丢失，只是传输速度比较慢而已，这样，网络中就被重复注入TCP片段，从而浪费网络传输资源。另一方面，如果RTO时间过长，那么当TCP片段已经实际丢失的情况下，发送方不能及时重新发送，会造成网络资源的闲置。所以，RTO必须符合当前网络的使用状况。网络状况越好，RTO应该越短；网络状况越差，RTO应该越长。

RTT: 往返时间

TCP协议通过统计RTT，来决定合理的RTO。发送方可以测量每一次TCP传输的RTT (从发送出数据片段开始，到接收到ACK片段为止)，这样的每次测量得到的往返时间，叫做采样RTT(srtt, sampling round trip time)。建立连接之后，每次的srtt作为采样样本，计算平均值(mean)和标准差(standard deviation)，并让RTO等于srtt平均值加上四倍的srtt标准差。

RTO = mean + 4 std

(上述算法有多个变种，根据平台不同有所变化)

平均值反映了平均意义上的RTT，平均往返时间越大，RTO越大。另一方面，标准差越大也会影响RTO。标准差代表了RTT样本的离散程度。如果RTT上下剧烈浮动，标准差比较大。RTT浮动大，说明当前网络状况相对不稳定。因此要设置更长的RTO，以应对不稳定的网络状况。

快速重新发送

我们刚才介绍了超时重新发送的机制：发送方送出一个TCP片段，然后开始等待并计时，如果RTO时间之后还没有收到ACK回复，发送方则重新发送。TCP协议有可能在计时完成之前启动重新发送，也就是利用快速重新发送(fast-retransmission)。快速发送机制如果被启动，将打断计时器的等待，直接重新发送TCP片段。

由于IP包的传输是无序的，所以接收方有可能先收到后发出的片段，也就是乱序(out-of-order)片段。乱序片段的序号并不等于最近发出的ACK回复号。已接收的文本流和乱序片段之间将出现空洞(hole)，也就是等待接收的空位。比如已经接收了正常片段5,6,7，此时又接收乱序片段9。这时片段8依然空缺，片段8的位置就是一个空洞。

补上空洞

TCP协议规定，当接收方收到乱序片段的时候，需要重复发送ACK。比如接收到乱序片段9的时候，接收方需要回复ACK。回复号为8 (7+1)。此后接收方如果继续收到乱序片段(序号不是8的片段)，将再次重复发送ACK=8。当发送方收到3个ACK=8的回复时，发送方推断片段8丢失。即使此时片段8的计时器还没有超时，发送方会打断计时，直接重新发送片段8，这就是快速重新发送机制(fast-retransmission)。

快速重新发送机制利用重复的ACK来提示空洞的存在。当重复次数达到阈值时，认为空洞对应的片段在网络中丢失。快速重新发送机制提高了检测丢失片段的效率，往往可以在超时之前探测到丢失片段，并重复发送丢失的片段。

总结

凤凰浴火重生。而TCP协议利用重新发送(retransmission)来实现TCP传输的可靠性。重新发送的基本形式是超时重新发送，根据统计的往返时间来设置超时标准；如果超时，则重新发送TCP片段。另一方面，快速重新发送则通过乱序片段的ACK来更早的推断出片段的丢失。

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