TCP的重传
TCP 实现可靠传输的方式之一,是通过序列号与确认应答。
在 TCP 中,当发送端的数据到达接收主机时,接收端主机会返回一个确认应答消息,表示已收到消息。
但在错综复杂的网络,并不一定能如上图那么顺利能正常的数据传输,万一数据在传输过程中丢失了呢?
所以 TCP 针对数据包丢失的情况,会用重传机制解决。
接下来说说常见的重传机制:
- 超时重传
- 快速重传
- SACK
- D-SACK
超时重传
在发送数据时,设定一个定时器,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,也就是我们常说的超时重传。
TCP 会在以下两种情况发生超时重传:
- 数据包丢失
- 确认应答丢失
特定的时间间隔应该设置为多少呢?
我们先来了解一下什么是 RTT (Round-Trip Time 往返时延),从下图我们就可以知道:
RTT 就是数据从网络一端传送到另一端所需的时间,也就是包的往返时间。
超时重传时间是以 RTO (Retransmission Timeout 超时重传时间)表示。
假设在重传的情况下,超时时间 RTO 较长或较短时,会发生什么事情呢?
上图中有两种超时时间不同的情况:
- 当超时时间 RTO 较大时,重发就慢,丢了老半天才重发,没有效率,性能差;
- 当超时时间 RTO 较小时,会导致可能并没有丢就重发,于是重发的就快,会增加网络拥塞,导致更多的超时,更多的超时导致更多的重发。
精确的测量超时时间 RTO 的值是非常重要的,这可让我们的重传机制更高效。
根据上述的两种情况,我们可以得知,超时重传时间 RTO 的值应该略大于报文往返 RTT 的值。
至此,可能大家觉得超时重传时间 RTO 的值计算,也不是很复杂嘛。
好像就是在发送端发包时记下 t0 ,然后接收端再把这个 ack 回来时再记一个 t1 ,于是 RTT = t1 – t0 。没那么简单,这只是一个采样,不能代表普遍情况。
实际上报文往返 RTT 的值是经常变化的,因为我们的网络也是时常变化的。也就因为报文往返 RTT 的值是经常波动变化的,所以超时重传时间 RTO 的值应该是一个动态变化的值。
我们来看看 Linux 是如何计算 RTO 的呢?
估计往返时间,通常需要采样以下两个:
需要 TCP 通过采样 RTT 的时间,然后进行加权平均,算出一个平滑 RTT 的值,而且这个值还是要不断变化的,因为网络状况不断地变化。
除了采样 RTT,还要采样 RTT 的波动范围,这样就避免如果 RTT 有一个大的波动的话,很难被发现的情况。
RFC6289 建议使用以下的公式计算 RTO:
其中 SRTT 是计算平滑的RTT , DevRTR 是计算平滑的RTT 与 最新 RTT 的差距。
在 Linux 下,α = 0.125,β = 0.25, μ = 1,∂ = 4。别问怎么来的,问就是大量实验中调出来的。
如果超时重发的数据,再次超时的时候,又需要重传的时候,TCP 的策略是超时间隔加倍。
也就是每当遇到一次超时重传的时候,都会将下一次超时时间间隔设为先前值的两倍。两次超时,就说明网络环境差,不宜频繁反复发送。
超时触发重传存在的问题是,超时周期可能相对较长。那是不是可以有更快的方式呢?
于是就可以用快速重传机制来解决超时重发的时间等待。
快速重传
TCP 还有另外一种快速重传(Fast Retransmit)机制,它不以时间为驱动,而是以数据驱动重传。
快速重传机制,是如何工作的呢?
在上图,发送方发出了 1,2,3,4,5 份数据:
- 第一份 Seq1 先送到了,于是就 Ack 回 2;
- 结果 Seq2 因为某些原因没收到,Seq3 到达了,于是还是 Ack 回 2;
- 后面的 Seq4 和 Seq5 都到了,但还是 Ack 回 2,因为 Seq2 还是没有收到;
- 发送端收到了三个 Ack = 2 的确认,知道了 Seq2 还没有收到,就会在定时器过期之前,重传丢失的 Seq2;
- 最后,收到了 Seq2,此时因为 Seq3,Seq4,Seq5 都收到了,于是 Ack 回 6 。
所以,快速重传的工作方式是当收到三个相同的 ACK 报文时,会在定时器过期之前,重传丢失的报文段。
快速重传机制只解决了一个问题,就是超时时间的问题,但是它依然面临着另外一个问题。就是重传的时候,是重传之前的一个,还是重传所有的问题。
比如对于上面的例子,是重传 Seq2 呢?还是重传 Seq2、Seq3、Seq4、Seq5 呢?因为发送端并不清楚这连续的三个 Ack 2 是谁传回来的。
根据 TCP 不同的实现,以上两种情况都是有可能的。可见,这是一把双刃剑。
为了解决不知道该重传哪些 TCP 报文,于是就有 SACK 方法。
SACK 方法
还有一种实现重传机制的方式叫: SACK ( Selective Acknowledgment 选择性确认)。
这种方式需要在 TCP 头部「选项」字段里加一个 SACK 的东西,它可以将缓存的地图发送给发送方,这样发送方就可以知道哪些数据收到了,哪些数据没收到,知道了这些信息,就可以只重传丢失的数据。
如下图,发送方收到了三次同样的 ACK 确认报文,于是就会触发快速重发机制,通过 SACK 信息发现只有200~299 这段数据丢失,则重发时,就只选择了这个 TCP 段进行重复。
如果要支持 SACK ,必须双方都要支持。在 Linux 下,可以通过 net.ipv4.tcp_sack 参数打开这个功能(Linux2.4 后默认打开)。
Duplicate SACK
Duplicate SACK 又称 D-SACK ,其主要使用了 SACK 来告诉发送方有哪些数据被重复接收了。下面举两个例子,来说明 D-SACK 的作用。
接收方发给发送方的两个 ACK 确认应答都丢失了,所以发送方超时后,重传第一个数据包(3000~3499),于是接收方发现数据是重复收到的,于是回了一个 SACK = 3000~3500,告诉发送方 3000~3500的数据早已被接收了,因为 ACK 都到了 4000 了,已经意味着 4000 之前的所有数据都已收到,所以这个SACK 就代表着 D-SACK 。
这样发送方就知道了,数据没有丢,是接收方的 ACK 确认报文丢了。
数据包(1000~1499) 被网络延迟了,导致发送方没有收到 Ack 1500 的确认报文。而后面报文到达的三个相同的 ACK 确认报文,就触发了快速重传机制,但是在重传后,被延迟的数据包(1000~1499)又到了接收方;所以接收方回了一个 SACK=1000~1500,因为 ACK 已经到了 3000,所以这个 SACK 是 D-SACK,表示收到了重复的包。这样发送方就知道快速重传触发的原因不是发出去的包丢了,也不是因为回应的 ACK 包丢了,而是因为网络延迟了。
可见, D-SACK 有这么几个好处:
- 可以让发送方知道,是发出去的包丢了,还是接收方回应的 ACK 包丢了;
- 可以知道是不是发送方的数据包被网络延迟了;
- 可以知道网络中是不是把发送方的数据包给复制了;
在 Linux 下可以通过 net.ipv4.tcp_dsack 参数开启/关闭这个功能(Linux 2.4 后默认打开)。