TCP的RTT估计与Karn算法详解

描述
TCP的RTT（Round-Trip Time，往返时间）估计是超时重传机制的核心基础。准确的RTT估计能优化重传超时时间（RTO），避免过早或过晚重传。但当出现报文丢失和重传时，如何正确计算RTT成为一个关键问题。Karn算法正是为了解决重传情况下的RTT测量歧义而设计的经典方法。

解题过程

1. RTT估计的基本原理
   TCP通过测量数据发送到收到对应ACK的时间来计算RTT样本（SampleRTT）。经典方法采用指数加权移动平均（EWMA）平滑波动：
   EstimatedRTT = (1 - α) * EstimatedRTT + α * SampleRTT（通常α=1/8）。
   同时计算RTT偏差（DevRTT）以反映抖动：
   DevRTT = (1 - β) * DevRTT + β * |SampleRTT - EstimatedRTT|（通常β=1/4）。
   最终RTO设置为：RTO = EstimatedRTT + 4 * DevRTT（需满足最小下限，如1秒）。

2. 重传场景下的RTT测量歧义

   • 当发送方重传数据包后收到ACK，无法判断该ACK是针对原始报文还是重传报文的响应。
   • 若错误地将ACK关联到重传报文，会得到过大的RTT样本（包含重传等待时间），导致RTO被不必要地拉长，降低重传效率。

3. Karn算法的核心规则

   • 规则1：忽略重传报文的RTT样本
     只要报文被重传过，就不使用其ACK到达时间计算SampleRTT。避免重传歧义对RTT估计的污染。
   • 规则2：使用指数退避调整RTO
     发生重传时，临时将RTO加倍（即退避机制）：RTO = γ * RTO（通常γ=2）。
     此规则应对网络突然拥塞，避免连续重传加剧拥塞。
   • 规则3：重传成功后恢复RTT估计
     当数据最终成功传输且无需重传时，重新启用正常RTT测量，但保留退避后的RTO值直至获得新样本。

4. 算法示例分步说明

   • 步骤1：发送Seq=1的报文，初始RTO=1秒。
   • 步骤2：RTO超时未收到ACK，重传Seq=1并应用Karn规则：
     • 忽略本次ACK的RTT测量（规则1）。
     • RTO退避为2秒（规则2）。
   • 步骤3：重传后收到ACK，成功传输。
     • 保持RTO=2秒，继续发送后续报文。
   • 步骤4：发送Seq=2的报文（未重传），收到ACK后计算SampleRTT，更新EstimatedRTT和DevRTT，重新计算RTO。

5. 算法意义与局限性

   • 意义：解决重传歧义，防止RTO过度膨胀，适应网络动态变化。
   • 局限性：退避机制较保守，可能在高延迟波动场景下恢复缓慢。现代TCP（如Linux内核）已结合时间戳选项（TCP Timestamps）直接计算重传报文的RTT，突破Karn算法的限制。

通过以上步骤，Karn算法在传统TCP中有效平衡了RTT估计的准确性与重传效率，是拥塞控制演进中的重要基础。