TCP重傳的的兩種方式

作者：cxuan 2021-05-27 10:57:01

在 TCP 的正常通信過程中，也會出現(xiàn)錯誤，這種錯誤可能是由于數(shù)據(jù)包丟失引起的，也可能是由于數(shù)據(jù)包重復(fù)引起的，甚至可能是由于數(shù)據(jù)包失序引起的。

沒有永遠(yuǎn)不出錯誤的通信，這句話表明著不管外部條件多么完備，永遠(yuǎn)都會有出錯的可能。所以，在 TCP 的正常通信過程中，也會出現(xiàn)錯誤，這種錯誤可能是由于數(shù)據(jù)包丟失引起的，也可能是由于數(shù)據(jù)包重復(fù)引起的，甚至可能是由于數(shù)據(jù)包失序引起的。

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TCP 的通信過程中，會由 TCP 的接收端返回一系列的確認(rèn)信息來判斷是否出現(xiàn)錯誤，一旦出現(xiàn)丟包等情況，TCP 就會啟動重傳操作，重傳尚未確認(rèn)的數(shù)據(jù)。

TCP 的重傳有兩種方式，一種是基于時間，一種是基于確認(rèn)信息，一般通過確認(rèn)信息要比通過時間更加高效。

所以從這點(diǎn)就可以看出，TCP 的確認(rèn)和重傳，都是基于數(shù)據(jù)包是否被確認(rèn)為前提的。

TCP 在發(fā)送數(shù)據(jù)時會設(shè)置一個定時器，如果在定時器指定的時間內(nèi)未收到確認(rèn)信息，那么就會觸發(fā)相應(yīng)的超時或者基于計時器的重傳操作，計時器超時通常被稱為重傳超時(RTO)。

但是有另外一種不會引起延遲的方式，這就是快速重傳。

TCP 在每次重傳一次報文后，其重傳時間都會加倍，這種"間隔時間加倍"被稱為二進(jìn)制指數(shù)補(bǔ)償(binary exponential backoff) 。等到間隔時間加倍到 15.5 min 后，客戶端會顯示

Connection closed by foreign host.

TCP 擁有兩個閾值來決定如何重傳一個報文段，這兩個閾值被定義在 RFC[RCF1122] 中，第一個閾值是 R1，它表示愿意嘗試重傳的次數(shù)，閾值 R2 表示 TCP 應(yīng)該放棄連接的時間。R1 和 R2 應(yīng)至少設(shè)為三次重傳和 100 秒放棄 TCP 連接。

這里需要注意下，對連接建立報文 SYN 來說，它的 R2 至少應(yīng)該設(shè)置為 3 分鐘，但是在不同的系統(tǒng)中，R1 和 R2 值的設(shè)置方式也不同。

在 Linux 系統(tǒng)中，R1 和 R2 的值可以通過應(yīng)用程序來設(shè)置，或者是修改 net.ipv4.tcp_retries1 和 net.ipv4.tcp_retries2 的值來設(shè)置。變量值就是重傳次數(shù)。

tcp_retries2 的默認(rèn)值是 15，這個重試次數(shù)的耗時大約是 13 - 30 分鐘，這只是一個大概值，最終耗時時間還要取決于 RTO ，也就是重傳超時時間。tcp_retries1 的默認(rèn)值是 3 。

對于 SYN 段來說，net.ipv4.tcp_syn_retries 和 net.ipv4.tcp_synack_retries 這兩個值限制了 SYN 的重傳次數(shù)，默認(rèn)是 5，大約是 180 秒。

Windows 操作系統(tǒng)下也有 R1 和 R2 變量，它們的值被定義在下方的注冊表中

HKLM\System\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters 
HKLM\System\CurrentControlSet\Services\Tcpip6\Parameters

其中有一個非常重要的變量就是 TcpMaxDataRetransmissions，這個 TcpMaxDataRetransmissions 對應(yīng) Linux 中的 tcp_retries2 變量，默認(rèn)值是 5。這個值的意思表示的是 TCP 在現(xiàn)有連接上未確認(rèn)數(shù)據(jù)段的次數(shù)。

快速重傳

我們上面提到了快速重傳，實際上快速重傳機(jī)制是基于接收端的反饋信息來觸發(fā)的，它并不受重傳計時器的影響。所以與超時重傳相比，快速重傳能夠有效的修復(fù)丟包情況。當(dāng) TCP 連接的過程中接收端出現(xiàn)亂序的報文(比如 2 - 4 - 3)到達(dá)時，TCP 需要立刻生成確認(rèn)消息，這種確認(rèn)消息也被稱為重復(fù) ACK。

當(dāng)失序報文到達(dá)時，重復(fù) ACK 要做到立刻返回，不允許延遲發(fā)送，此舉的目的是要告訴發(fā)送方某段報文失序到達(dá)了，希望發(fā)送方指出失序報文段的序列號。

還有一種情況也會導(dǎo)致重復(fù) ACK 發(fā)給發(fā)送方，那就是當(dāng)前報文段的后續(xù)報文發(fā)送至接收端，由此可以判斷當(dāng)前發(fā)送方的報文段丟失或者延遲到達(dá)。因為這兩種情況導(dǎo)致的后果都是接收方?jīng)]有收到報文，但是我們卻無法判斷到底是報文段丟失還是報文段沒有送達(dá)。因此 TCP 發(fā)送端會等待一定數(shù)目的重復(fù) ACK 被接受來決定數(shù)據(jù)是否丟失并觸發(fā)快速重傳。一般這個判斷的數(shù)量是 3，這段文字表述可能無法清晰理解，我們舉個例子。

如上圖所示，報文段 1 成功接收并被確認(rèn)為 ACK 2，接收端的期待序號為 2，當(dāng)報文段 2 丟失后，報文段 3。失序到達(dá)，但是與接收端的期望不匹配，所以接收端會重復(fù)發(fā)送冗余 ACK 2。

這樣，在超時重傳定時器到期之前，接收收到連續(xù)三個相同的 ACK 后，發(fā)送端就知道哪個報文段丟失了，于是發(fā)送方會重發(fā)這個丟失的報文段，這樣就不用等待重傳定時器的到期，大大提高了效率。

SACK

在標(biāo)準(zhǔn)的 TCP 確認(rèn)機(jī)制中，如果發(fā)送方發(fā)送了 0 - 10000 序號之間的數(shù)據(jù)，但是接收方只接收到了 0 -1000, 3000 - 10000 之間的數(shù)據(jù)，而 1000 - 3000 之間的數(shù)據(jù)沒有到達(dá)接收端，此時發(fā)送方會重傳 1000 - 10000 之間的數(shù)據(jù)，實際上這是沒有必要的，因為 3000 后面的數(shù)據(jù)已經(jīng)被接收了。但是發(fā)送方無法感知這種情況的存在。

如何避免或者說解決這種問題呢?

為了優(yōu)化這種情況，我們有必要讓客戶端知道更多的消息，在 TCP 報文段中，有一個 SACK 選項字段，這個字段是一種選擇性確認(rèn)(selective acknowledgment)機(jī)制，這個機(jī)制能告訴 TCP 客戶端，用我們的俗語來解釋就是：“我這里最多允許接收 1000 之后的報文段，但是我卻收到了 3000 - 10000 的報文段，請給我 1000 - 3000 之間的報文段”。

但是，這個選擇性確認(rèn)機(jī)制的是否開啟還受一個字段的影響，這個字段就是 SACK 允許選項字段，通信雙方在 SYN 段或者 SYN + ACK 段中添加 SACK 允許選項字段來通知對端主機(jī)是否支持 SACK，如果雙方都支持的話，后續(xù)在 SYN 段中就可以使用 SACK 選項了。

這里需要注意下：SACK 選項字段只能出現(xiàn)在 SYN 段中。

偽超時和重傳

在某些情況下，即使沒有出現(xiàn)報文段的丟失也可能會引發(fā)報文重傳。這種重傳行為被稱為偽重傳(spurious retransmission) ，這種重傳是沒有必要的，造成這種情況的因素可能是由于偽超時(spurious timeout)，偽超時的意思就是過早的判定超時發(fā)生。造成偽超時的因素有很多，比如報文段失序到達(dá)，報文段重復(fù)，ACK 丟失等情況。

檢測和處理偽超時的方法有很多，這些方法統(tǒng)稱為檢測算法和響應(yīng)算法。檢測算法用于判斷是否出現(xiàn)了超時現(xiàn)象或出現(xiàn)了計時器的重傳現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)了超時或者重傳的情況，就會執(zhí)行響應(yīng)算法撤銷或者減輕超時帶來的影響，下面是幾種算法，此篇文章暫不深入這些實現(xiàn)細(xì)節(jié)：

重復(fù) SACK 擴(kuò)展- DSACK
Eifel 檢測算法
前移 RTO 恢復(fù) - F-RTO
Eifel 響應(yīng)算法

包失序和包重復(fù)

上面我們討論的都是 TCP 如何處理丟包的問題，我們下面來討論一下包失序和包重復(fù)的問題。

包失序

數(shù)據(jù)包的失序到達(dá)是互聯(lián)網(wǎng)中極其容易出現(xiàn)的一種情況，由于 IP 層并不能保證數(shù)據(jù)包的有序性，每個數(shù)據(jù)包的發(fā)送都可能會選擇當(dāng)前情況傳輸速度最快的鏈路，所以很有可能出現(xiàn)發(fā)送了 A - > B -> C 的三個數(shù)據(jù)包，到達(dá)接收端的數(shù)據(jù)包順序是 C -> A -> B 或者 B -> C -> A 等等。這就是包失序的一種現(xiàn)象。

在包傳輸中，主要分為兩種鏈路：正向鏈路(SYN)和反向鏈路(ACK)。

如果失序發(fā)生在正向鏈路，TCP 是無法正確判斷數(shù)據(jù)包是否丟失的，數(shù)據(jù)的丟失和失序都會導(dǎo)致接收端收到無序的數(shù)據(jù)包，造成數(shù)據(jù)之間的空缺。如果這種空缺不夠大的話，這種情況影響不大;但是如果空缺比較大的話，可能會導(dǎo)致偽重傳。

如果失序發(fā)生在反向鏈路，就會使 TCP 的窗口前移，然后收到重復(fù)而應(yīng)該被丟棄的 ACK，導(dǎo)致發(fā)送端出現(xiàn)不必要的流量突發(fā)，影響可用網(wǎng)絡(luò)帶寬。

回到我們上面討論的快速重傳，由于快速重傳是根據(jù)重復(fù) ACK 推斷出現(xiàn)丟包而啟動的，它不用等到重傳計時器超時。由于 TCP 接收端會對接收到的失序報文立刻返回 ACK，所以網(wǎng)絡(luò)中任何一個失序到達(dá)的報文都可能會造成重復(fù) ACK。假設(shè)一旦收到 ACK，就會啟動快速重傳機(jī)制，當(dāng) ACK 數(shù)量激增，就會導(dǎo)致大量不必要的重傳發(fā)生，所以快速重傳應(yīng)該達(dá)到重復(fù)閾值(dupthresh)再觸發(fā)。但是在互聯(lián)網(wǎng)中，嚴(yán)重的失序并不常見，因此 dupthresh 的值可以設(shè)置的盡量小，一般來說 3 就能處理絕大部分情況。