TCP的RTO（重传超时时间）计算与指数退避算法
题目描述
TCP通过重传超时时间（Retransmission Timeout, RTO）来判断数据包是否丢失，并触发重传。RTO的计算基于往返时间（Round-Trip Time, RTT）的估计，同时结合指数退避算法避免网络拥塞。面试中常考察RTT的测量方法、RTO的计算公式，以及指数退避的应用场景。
逐步讲解
- RTT的测量与挑战
- 概念：RTT是数据包从发送到接收确认（ACK）的时间间隔。
- 直接测量法：发送方记录每个数据包的发送时间 \(T_{\text{send}}\)，收到ACK时记录时间 \(T_{\text{ack}}\)，则本次RTT样本为：
\[ \text{RTT}_{\text{sample}} = T_{\text{ack}} - T_{\text{send}} \]
- 问题：若数据包重传后收到ACK，无法区分ACK对应的是原始包还是重传包（即重传二义性），导致RTT样本不准确。
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解决重传二义性：Karn算法
- 规则1：对重传的数据包，不直接使用其ACK计算RTT样本（避免混淆）。
- 规则2：重传时，RTO采用指数退避（见第4步），直到收到非重传包的ACK后再更新RTT估计。
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平滑RTT估计：加权平均计算
TCP使用两个变量动态估计RTT：- 平滑RTT（SRTT）：对历史RTT样本加权平均，避免瞬时波动。
\[ \text{SRTT} = (1 - \alpha) \times \text{SRTT} + \alpha \times \text{RTT}_{\text{sample}} \]
其中 $\alpha$ 通常取 $1/8$（即SRTT保留7/8历史值，加入1/8新样本）。
- RTT偏差（RTTVAR）：衡量RTT变化幅度，用于计算RTO的缓冲。
\[ \text{RTTVAR} = (1 - \beta) \times \text{RTTVAR} + \beta \times |\text{RTT}_{\text{sample}} - \text{SRTT}| \]
其中 $\beta$ 通常取 $1/4$。
- RTO的计算公式
- 基于SRTT和RTTVAR，RTO的计算为：
\[ \text{RTO} = \text{SRTT} + 4 \times \text{RTTVAR} \]
- 初始值：连接建立时，SRTT和RTTVAR未初始化，首个RTO通常设为3秒（Linux默认）。收到首个RTT样本后，按公式更新。
- 下限与上限：RTO通常限制在1秒到60秒之间（避免过长或过短）。
- 指数退避算法
- 触发条件：当数据包超时（RTO到期未收到ACK）时，TCP认为网络可能拥塞。
- 退避规则：重传后，新的RTO按倍数扩大：
\[ \text{RTO}_{\text{new}} = \gamma \times \text{RTO}_{\text{old}} \]
其中 $\gamma$ 通常取2（即**二进制指数退避**）。
- 示例：
- 首次超时：RTO = 1秒 → 重传后新RTO = 2秒
- 第二次超时：RTO = 2秒 → 重传后新RTO = 4秒
- 持续翻倍，直到上限（如60秒）。
- 退出条件：收到非重传包的ACK后，RTO重新基于SRTT和RTTVAR计算。
- 完整流程示例
- 步骤1：发送Seq=1的数据包，记录发送时间。
- 步骤2：收到ACK=2，计算RTT样本，更新SRTT和RTTVAR，得出RTO=200ms。
- 步骤3：发送Seq=2的数据包，超时未收到ACK（RTO=200ms到期）。
- 步骤4：触发重传，RTO退避为400ms（翻倍）。
- 步骤5：若重传成功收到ACK，继续发送新包时，RTO仍保持400ms（Karn算法规则2）。
- 步骤6：后续收到非重传包的ACK后，重新启用标准RTO计算。
总结
TCP通过动态测量RTT、平滑估计SRTT与RTTVAR，并结合指数退避，实现自适应的重传机制。既保证对网络延迟的敏感性，又能在拥塞时降低重传频率，提升网络稳定性。