TCP的累计确认（Cumulative Acknowledgment）机制详解

描述
TCP的累计确认机制是TCP实现可靠数据传输的核心机制之一。接收方通过发送确认应答（ACK）报文，告知发送方自己已经成功接收到的数据的序列号范围。其核心特点是：一个确认号（Acknowledgment Number）代表了接收方已经按序、成功接收到的所有数据字节。例如，如果接收方发送了ACK=5001，这意味着序列号5000及之前的所有字节都已被正确接收。这个机制简洁高效，但有时也需要其他机制（如SACK）来补充其不足。

知识要点详解

1. 确认号（Acknowledgment Number）的含义

   • TCP报文头中的确认号字段，表示的是接收方期望收到的下一个数据字节的序列号。
   • 这是一种“累积”性的表达。假设数据字节的序列号是连续的，如果接收方发送ACK=Y，其潜台词是：“我已经成功接收了序列号从初始序列号到Y-1的所有数据，现在请你从序列号Y开始发送。”
   • 举例：发送方发送了三个数据段，序列号分别是1-1000, 1001-2000, 2001-3000。
     • 如果接收方成功收到第一个段（1-1000），它会回复ACK=1001。意思是：“1-1000已收到，请发1001开始的。”
     • 如果接收方成功收到前两个段（1-1000, 1001-2000），它会回复ACK=2001。这个ACK=2001不仅确认了第二个段，也隐含地再次确认了第一个段。

2. 累计确认的工作流程
   让我们通过一个具体的序列图来理解：

   场景：发送方要发送4000字节数据，MSS（最大报文段长度）为1000字节。初始序列号（ISN）为10000。

   • 步骤1：发送数据段1

     • 发送方：发送Seq=10001, Data=1000 bytes (字节10001-11000)。
     • 接收方：成功接收。此时，接收方期望的下一个序列号是11001。
     • 接收方：回复ACK=11001。这个ACK确认了序列号10001-11000的数据。

   • 步骤2：发送数据段2

     • 发送方：发送Seq=11001, Data=1000 bytes (字节11001-12000)。
     • 接收方：成功接收。期望下一个序列号变为12001。
     • 接收方：回复ACK=12001。这个ACK确认了序列号10001-12000的所有数据（即段1和段2）。

   • 步骤3：发送数据段3（但发生丢失）

     • 发送方：发送Seq=12001, Data=1000 bytes (字节12001-13000)。（该数据包在网络中丢失）
     • 接收方：未收到段3，因此它期望的序列号仍然是12001。
     • 接收方：对于后续到达的任何数据包，只要序列号不是12001，它都会回复ACK=12001，提醒发送方重传丢失的段。

   • 步骤4：发送数据段4

     • 发送方：不知道段3丢失，继续发送Seq=13001, Data=1000 bytes (字节13001-14000)。
     • 接收方：收到段4。但由于段3丢失，段4是失序的。根据TCP标准，接收方必须维持按序交付。
     • 接收方：仍然回复ACK=12001。这个重复的ACK（Dup-ACK）告诉发送方：“我仍然在等序列号12001开始的数据，虽然我收到了后面的数据，但中间有缺失。”

   • 步骤5：快速重传

     • 发送方：收到3个或4个（取决于实现）对同一个序列号12001的ACK（即Dup-ACK）。
     • 发送方：推断数据段3很可能已经丢失，于是不等重传计时器超时，立即重传段3（Seq=12001）。这就是TCP的快速重传机制。

   • 步骤6：累计确认恢复

     • 接收方：终于收到了重传的段3（12001-13000）。现在，它已经按序收到了段1、2、3，并且段4也已经提前到达。
     • 接收方：由于累计确认的特性，它只需要发送一个ACK即可确认所有已接收的数据。它期望的下一个序列号是14001。
     • 接收方：回复ACK=14001。这个ACK一次性确认了段1、2、3以及之前提前到达的段4。

3. 累计确认的优缺点与SACK的引入

   • 优点：

     • 简单高效：即使在有分组丢失的情况下，接收方也只需要维护一个“期望的序列号”，实现简单。
     • ACK开销小：无论接收方按序收到了多少数据，通常只需要一个ACK报文即可进行确认，减少了网络中的控制流量。
     • 鲁棒性强：即使ACK报文本身丢失，只要后续的ACK成功到达，发送方就能知道之前的数据已被接收（因为后续的ACK号一定大于等于之前的ACK号）。

   • 缺点：

     • 无法提供精确的丢失信息：从上面的例子可以看出，当段3丢失、段4到达时，接收方只能不停地发送ACK=12001。发送方知道有数据丢失，但无法从累计ACK中得知是否有多于一个数据包丢失，或者除了段3之外，是否还有其它段也已到达。
     • 可能导致不必要的重传：在上面的例子中，如果只有段3丢失，而段4成功到达，那么问题不大。但如果段3和段4都丢失了，接收方会一直回复ACK=12001。发送方重传段3后，接收方会回复ACK=13001，表明13001之前的都收到了，但段4还是缺失的。这时发送方需要再次等待Dup-ACK或超时来重传段4，效率较低。

   • 解决方案：SACK（选择性确认）

     • 为了弥补累计确认的不足，TCP提供了SACK选项。
     • 启用SACK后，接收方在发送Dup-ACK时，除了包含累计确认号（ACK=12001），还可以在TCP选项字段中携带一个或多个“SACK块”。
     • SACK块用于告知发送方：我已经成功接收的不连续的数据块范围。
     • 接上例：当段4到达而段3丢失时，接收方发送的ACK报文将是：
       • ACK=12001 （累计确认号，表示12001之前的数据已收到）
       • SACK=13001-14001 （SACK块，表示13001到14000之间的数据我也收到了）
     • 这样，发送方就能精确地知道：段1和段2（10001-12000）已确认，段3（12001-13000）丢失，但段4（13001-14000）已经成功到达。发送方可以只重传丢失的段3，而无需重传已经到达的段4，大大提升了重传效率。

总结
TCP的累计确认机制是可靠传输的基石，它通过一个不断增长的确认号来简洁地确认所有已按序接收的数据。它的主要优点是简单和低开销。然而，在面对多个数据包丢失时，其信息量不足的缺点会显现。因此，在实际的高性能网络中，通常结合SACK（选择性确认） 选项一起使用，SACK作为累计确认的补充，提供了更精细的接收状态反馈，使得发送方能进行更智能、更快速的重传，优化了网络性能。