计算机网络学习笔记：TCP可靠传输实现、超时重传时间选择

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一、TCP可靠传输实现

  TCP可靠传输的实现，主要基于发送方和接收方的滑动窗口，以及确认机制：

• 发送方在未收到确认（ACK）前，可以将序号落在发送窗口内的数据段连续发送，但这些数据段必须保留在缓存中，不能释放，以便在超时或接收到重复 ACK 时进行重传。发送方的 滑动窗口表示 “允许发送但未确认” 的数据范围；TCP 不会等待一个 ACK 才发送下一个段，而是可以 “流水线” 式发送多个段；
• 接收方在接收到发送方发送的报文后，要及时发送确认报文，如果接收到的报文段是不连续的，则会对连续报文段的最大序号及之前的数据进行确认。可以对发送方的滑动窗口大小进行调整（流量控制）。

  对于发送方和接收方的滑动窗口，都有前沿和后沿的概念：

• 发送方：
  • 后沿：已发送并且接收到确认报文的数据，可以删除。
  • 前沿：在滑动窗口的最大范围之外，不允许发送。
• 接收方：
  • 后沿：已发送确认报文给发送方，并且这部分内容交付了应用进程，可以删除。
  • 前沿：在滑动窗口的最大范围之外，不允许接收。

  为了维护发送窗口的状态，可以使用P1，P2，P3三个指针：

• P1：指向的是发送窗口内已发送，但是还未收到确认的部分的第一个数据的序号。
• P2：指向的是发送窗口内还未发送的部分的第一个数据的序号。
• P3：指向的是发送窗口外的部分的第一个数据的序号。

  假设下图的场景：

• 发送方已经成功发送了 4、5、6 三个报文段；
• 接收方只成功收到了 5、6，但没有收到 4；
• TCP 默认使用 累计确认（ACK） 策略 —— 只能确认连续收到的数据段。

  此时接收方收到的ACK应该为4，同时对5，6进行缓存。这种情况并不会引起发送方的快重传，因为是第一次重复确认

  此时接收方收到了4的报文段，则反馈给发送方7的ack，表示已经接受到了4~6的报文段，现在要接受7的报文段，同时窗口向前滑动：

  假设此时发送方向接收方发送了7~10号报文段，但是接收方一直都没有ack，因为窗口内的序号已经用完了，发送方在接收到接收方的确认之前，不能发送新的数据，而如果一直接收不到接收方的确认，就会触发超时重传（慢开始 + 拥塞避免算法）

二、TCP超时重传时间选择

  RTT = 请求的往返时间 = 请求开始时间 - 接收到请求确认的时间。RTO则是超时重传的时间。RTO不能小于RTT，也不能远大于RTT的值，应设置为略大于RTT的值。
  然而上述只是理想情况下的设置，实际网络通信中，每次消息往返的时间都是不固定的，需要动态进行调整。
  RTT的计算也是非常复杂的，当发送方发生超时重传的时候，无法知道接收方发出的确认报文段是针对原报文段的确认，还是重传报文段的确认。（应是对于重传报文段的确认）如果发送方将该报文段当做是对于原有报文段的确认，那么算出的RTT往返时间就会大于应有的值。

  同理，接收方在发送确认报文段发生了超时，导致发送方触发了超时重传。发送方无法知道接收方的确认报文段，是针对发送方第一次发送的报文的确认，还是超时重传报文的确认（应该是对于发送方第一次报文的确认。）那么算出的RTT往返时间就会小于应有的值。

  针对上述的问题，提出了一种karn算法。Karn 算法是用于 计算 TCP 中的往返时间（RTT）和重传超时时间（RTO） 的一个改进方法，专门用来避免因重传而导致的 RTT 估算不准确问题。其核心思想在于不要用重传报文段的 ACK 来更新 RTT 估算值。

• 当发生重传时，不更新 RTT 估计值。
• 只用未发生重传的报文段的 ACK 来估计 RTT。
• 启用指数退避策略，即每次重传失败后，将 RTO 值加倍。