TCP的超时重传机制与RTT估计

题目描述

TCP通过超时重传（Retransmission Timeout, RTO）确保数据可靠传输。当发送方未及时收到确认（ACK）时，会触发重传。但如何合理设置超时时间？若设置过短会导致不必要的重传，过长则降低效率。因此，TCP需动态估计往返时间（Round-Trip Time, RTT）并计算RTO。本题深入讲解RTT的测量方法、RTO的计算逻辑及其优化策略。

关键概念：RTT与RTO

1. RTT（往返时间）：数据包从发送到接收其ACK的时间间隔。
2. RTO（超时重传时间）：发送方等待ACK的超时阈值，需略大于平均RTT。

步骤1：初始RTT估计与RTO计算

TCP无法预知初始RTT，但需设定初始RTO：

• 标准规定：初始RTO设为1秒（常见实现如Linux默认为1秒）。
• 首次测量：发送数据包后收到ACK，得到第一个SampleRTT，后续据此动态调整。

步骤2：平滑RTT估计（SRTT）

为避免瞬时波动，TCP使用加权移动平均计算平滑RTT（SRTT）：

SRTT = (1 - α) * SRTT + α * SampleRTT  

• α推荐值：0.125（即新SampleRTT占12.5%权重）。
• 初始值：首次测量时SRTT直接取SampleRTT。

举例：

• 若SampleRTT=200ms，初始SRTT=200ms。
• 下一次SampleRTT=300ms，则更新后SRTT = 0.875×200 + 0.125×300 = 212.5ms。

步骤3：计算RTT偏差（RTTVAR）

仅用SRTT可能忽略波动性。TCP引入RTT偏差（RTTVAR） 反映抖动：

Dev = |SampleRTT - SRTT|  
RTTVAR = (1 - β) * RTTVAR + β * Dev  

• β推荐值：0.25（偏差权重较高，快速响应变化）。

步骤4：最终RTO公式

综合SRTT与偏差，RTO计算公式为：

RTO = SRTT + 4 * RTTVAR  

• 系数4：经验值，确保RTO覆盖绝大多数延迟波动。
• 下限约束：RTO至少为1秒（避免过早重传）。

举例：
若SRTT=212.5ms，RTTVAR=50ms，则RTO=212.5 + 4×50=412.5ms。

步骤5： Karn算法处理重传歧义

当数据包重传后收到ACK，无法判断ACK对应原始包还是重传包（重传歧义）。
Karn算法规则：

1. 忽略重传包的SampleRTT（不更新SRTT和RTTVAR）。
2. 重传时采用指数退避：RTO = 2 × 当前RTO（避免连续超时恶化）。
3. 收到非重传包的ACK后恢复正常测量。

步骤6：现代TCP的优化（RFC 6298）

经典算法对突发延迟敏感，现代TCP（如Linux）进一步优化：

1. 首次测量：SRTT=SampleRTT，RTTVAR=SampleRTT/2。
2. 最小RTO：通常设为200ms（而非1秒），适应高速网络。
3. 时钟精度：使用微秒级定时器（降低估算误差）。

总结与意义

• 动态适应性：通过SRTT和RTTVAR实时跟踪网络变化。
• 稳健性：Karn算法避免重传歧义误导，指数退避缓解拥塞。
• 效率平衡：RTO既不过长（降低等待）也不过短（减少无效重传）。

此机制是TCP可靠性的核心基础之一，后续拥塞控制（如慢启动）也依赖RTO触发重传行为。