TCP 的 PTO（Pro重传超时）与 RTO（重传超时）的差异与协同工作机制详解

描述
TCP 的重传超时（Retransmission Timeout, RTO）是 TCP 可靠性传输的核心机制之一，用于在数据包丢失时触发重传。而 PTO（Probe Timeout，探测超时）是 TCP 在特定场景下（如接收方通告零窗口、连接空闲后恢复）用来探测网络状态或对端接收能力的定时器。两者都涉及超时重传，但触发条件、目的和计算方式有显著差异。理解两者的区别与协同工作，有助于深入掌握 TCP 的健壮性设计。

讲解过程

1. RTO 的基本原理
   RTO 是 TCP 为每个已发送但未确认的数据段维护的一个重传定时器。其超时时间基于对网络 RTT（往返时间）的实时估计。
   • RTT 测量：TCP 通过时间戳选项或重传队列中数据段的发送与确认时间差来测量 RTT。
   • RTO 计算：通常使用 Jacobson/Karels 算法，公式为：

\[ \text{RTO} = \text{SRTT} + 4 \times \text{RTTVAR} \]

 其中 SRTT 是平滑的 RTT 估计值，RTTVAR 是 RTT 的方差。初始 RTO 通常设为 1 秒，下限通常为 200ms。  

• 触发动作：当 RTO 超时，TCP 认为网络出现拥塞或丢包，会重传最早未确认的数据段，并将拥塞窗口（cwnd）置为 1 个 MSS，进入慢启动状态。

2. PTO 的基本原理
   PTO 并非标准 TCP 规范中的独立定时器，而是某些场景下对 RTO 机制的扩展应用，主要指“零窗口探测”或“持久定时器”场景中的超时探测。

   • 触发条件：当接收方通告接收窗口为 0（即零窗口）时，发送方启动 PTO（在标准中称为“持久定时器”）。
   • 目的：PTO 不是为了重传数据，而是定期发送探测报文，探测接收方窗口是否已非零，从而避免发送方因等待窗口更新而永久阻塞。
   • 超时时间：PTO 的初始值通常使用当前的 RTO 值，但后续超时时间会指数退避（如每次翻倍），上限通常为 60 秒。这与 RTO 的计算方式不同（RTO 基于 RTT 动态调整）。

3. RTO 与 PTO 的关键差异

   • 目的不同：RTO 用于检测数据丢失并触发重传，是可靠性机制；PTO 用于探测对端状态（如窗口更新），是避免死锁的活性机制。
   • 触发场景不同：RTO 在数据发送后未收到 ACK 时触发；PTO 在接收方通告零窗口后触发。
   • 计算方式不同：RTO 基于动态 RTT 估计；PTO 初始值基于当前 RTO，但后续采用固定退避，不与实时 RTT 强绑定。
   • 对拥塞控制的影响：RTO 超时会触发拥塞控制（如 cwnd 重置）；PTO 超时仅发送探测报文，通常不影响拥塞窗口。

4. 协同工作示例：零窗口场景
   假设接收方缓冲区满，通告窗口为 0：

   • 发送方收到零窗口通告后，停止发送新数据，启动 PTO 定时器。
   • PTO 超时后，发送方发送一个探测报文（如 1 字节数据），该报文可触发接收方返回包含当前窗口大小的 ACK。
   • 如果窗口仍为 0，PTO 定时器以退避时间重启，继续探测。
   • 如果窗口非零，发送方恢复正常数据传输，同时为已发送数据维护 RTO 定时器。
     此过程中，PTO 确保连接在零窗口下不被永久挂起，而 RTO 独立监控已发送数据的确认情况。

5. 实际实现中的注意事项

   • 在 Linux 中，PTO 通过 tcp_probe_timer 实现，其超时逻辑在零窗口探测和 keep-alive 探测中复用。
   • 如果 PTO 探测报文丢失，TCP 会依赖 RTO 机制重传该探测报文（因为探测报文也被放入重传队列）。
   • 在连接空闲后，某些实现也可能用类似 PTO 的机制发送“保活探测”，但此时目的更多是检测连接活性，与窗口无关。

通过以上分析，你可以看到 RTO 和 PTO 虽然都涉及超时重传，但设计目标和应用场景不同。RTO 是 TCP 可靠传输的基石，而 PTO 是应对特定阻塞场景的补充机制，两者协同工作确保了 TCP 在各种网络异常下的鲁棒性。