TCP的SACK与乱序报文段的处理机制详解
字数 2466 2025-12-14 14:23:48

TCP的SACK与乱序报文段的处理机制详解

一、知识点描述

在标准的TCP确认机制中，接收方只能通过累计确认（ACK）向发送方确认最后一个按序到达的字节。如果网络中发生报文段乱序（Out-of-Order），即使接收方已经收到了后续的一些报文段，发送方也必须等待缺失的报文段重传，这可能导致不必要的性能下降。

选择性确认（SACK, Selective Acknowledgment） 是一种TCP选项，允许接收方明确告知发送方哪些不连续的报文段已经成功接收，从而让发送方只重传真正缺失的部分，而不是盲目重传所有未确认的数据。这对于处理乱序和多重丢包场景至关重要。

二、核心背景知识回顾

  1. 累计确认的缺陷：

    • 接收方只能ACK“期待接收的下一个字节序号”。
    • 如果报文段4、5、6乱序到达（比如顺序是5、6、4），即使5和6到达了，接收方仍会一直发送ACK=4（表示期待4），直到4到达。
    • 发送方看到重复的ACK=4，可能触发快速重传，但实际只需重传4即可。

  2. SACK的基本概念：

    • SACK是TCP头部的一个选项（Kind=5），用于携带“已接收的不连续数据块”信息。
    • 每个SACK块包含两个序号：[左边界, 右边界)，表示一个已成功接收的连续数据范围（左闭右开）。
    • 一个ACK报文最多可携带3个SACK块（受TCP选项长度限制）。

三、SACK选项格式与工作机制详解

1. SACK选项格式

Kind=5 | Length | Left Edge of 1st Block | Right Edge of 1st Block | Left Edge of 2nd Block | ...
  • Kind：固定为5。
  • Length：选项总字节数（包括Kind和Length本身）。
  • 每个SACK块包含两个32位序号：左边界（包含）、右边界（不包含）。例如块[1000, 2000)表示字节1000~1999已接收。

2. 接收方的SACK生成逻辑

当接收方收到乱序报文段时：

  • 维护一个“已接收但不连续的数据块列表”。
  • 在发送ACK时，除了携带标准的ACK序号（累计确认点），还附带SACK块，描述已接收的不连续数据。
  • 示例：
    • 发送方发送序号：1-1000、1001-2000、2001-3000、3001-4000。
    • 接收方收到：1-1000、2001-3000、1001-2000（乱序）。
    • 接收方先发送ACK=1001（期待1001），无SACK。
    • 收到2001-3000时，发送ACK=1001，SACK块=[2001,3000)。
    • 收到1001-2000时，发送ACK=3001（累计确认点前进到3001），此时不再需要SACK。

3. 发送方的SACK处理逻辑

发送方维护一个“SACK接收缓存”，用于记录接收方已确认的不连续数据块：

  • 当收到SACK时，更新对应数据块的“已确认”状态。
  • 结合快速重传机制：当收到3个重复ACK（且SACK指示了新的数据块），发送方可以推断出哪些数据真正丢失，而不是简单地重传所有未确认数据。
  • 核心算法：基于SACK的重传决策。
    • 发送方将未确认的数据分为两类：“已知接收方已确认的（通过SACK）”和“可能丢失的”。
    • 只重传那些既未被累计确认、也未被SACK块覆盖的数据段。

四、SACK处理乱序的详细示例

假设发送方发送5个报文段，每个1000字节：

Seq=1:1000
Seq=1001:2000
Seq=2001:3000
Seq=3001:4000
Seq=4001:5000

场景：网络乱序，到达顺序为：1、2001、3001、1001、4001。

步骤分解：

  1. 接收方收到Seq=1:1000：

    • 发送ACK=1001（期待1001），无SACK。

  2. 收到Seq=2001:3000（乱序）：

    • 期待的还是1001，但已收到2001-3000。
    • 发送ACK=1001，SACK块=[2001,3000)。

  3. 收到Seq=3001:4000（继续乱序）：

    • 此时已有两个不连续块：2001-3000、3001-4000，可合并为[2001,4000)。
    • 发送ACK=1001，SACK块=[2001,4000)。

  4. 收到Seq=1001:2000（期待的报文到达）：

    • 此时从1001到4000的数据全部连续。
    • 发送ACK=4001（累计确认点跳到4001），SACK可省略。

  5. 收到Seq=4001:5000：

    • 发送ACK=5001。

关键点：接收方通过SACK让发送方知道“2001-4000已收到”，发送方即使看到重复ACK=1001，也不会重传2001-4000，只需考虑重传1001-2000（如果判断丢失）。

五、SACK与快速重传/快速恢复的协同

  1. 触发快速重传：当发送方收到3个重复ACK（ACK=1001），且SACK块显示有新的数据块到达，发送方推断报文段1001-2000可能丢失。
  2. 选择性重传：发送方检查未确认的数据段，只重传未被SACK覆盖的段落（即1001-2000）。
  3. 拥塞控制调整：
    • 执行快速恢复，拥塞窗口（cwnd）减半，并进入快速恢复阶段。
    • 每收到一个重复ACK（带有SACK），表示有数据离开网络，cwnd可适当增加，允许发送新数据。

六、SACK的局限性与注意事项

  1. SACK块数量限制：

    • TCP选项总长度最多40字节，SACK块通常最多3个（每个块8字节，加上Kind和Length共2字节，3个块占用26字节）。
    • 如果乱序严重且块数超过限制，接收方需选择最重要的块报告（如最老的或最新的块）。

  2. SACK攻击风险：

    • 恶意接收方可伪造SACK块，诱使发送方错误认为数据已送达，可能导致数据不被重传（已被防护机制如SACK过滤限制）。

  3. 与其它机制的交互：

    • 必须与重复确认计数结合，避免对轻微乱序过度反应。
    • 在流量控制（零窗口）期间，SACK仍可发送，告知发送方哪些数据已接收，但发送方需等待窗口打开。

七、总结

  • SACK通过“精确反馈”已接收的数据块，极大改善了TCP在乱序和多重丢包场景下的重传效率。
  • 接收方生成SACK块，发送方利用SACK信息进行选择性重传，避免不必要的重传，提升吞吐量。
  • 实际中，SACK是TCP高性能传输的关键选项之一，常与快速重传、快速恢复协同工作，是现代TCP实现（如Linux内核）的标准功能。
TCP的SACK与乱序报文段的处理机制详解 一、知识点描述 在标准的TCP确认机制中，接收方只能通过累计确认（ACK）向发送方确认 最后一个按序到达的字节 。如果网络中发生报文段乱序（Out-of-Order），即使接收方已经收到了后续的一些报文段，发送方也必须等待缺失的报文段重传，这可能导致不必要的性能下降。 选择性确认（SACK, Selective Acknowledgment） 是一种TCP选项，允许接收方明确告知发送方哪些不连续的报文段已经成功接收，从而让发送方只重传真正缺失的部分，而不是盲目重传所有未确认的数据。这对于处理 乱序 和 多重丢包 场景至关重要。 二、核心背景知识回顾 累计确认的缺陷 ： 接收方只能ACK“期待接收的下一个字节序号”。 如果报文段4、5、6乱序到达（比如顺序是5、6、4），即使5和6到达了，接收方仍会一直发送ACK=4（表示期待4），直到4到达。 发送方看到重复的ACK=4，可能触发快速重传，但实际只需重传4即可。 SACK的基本概念 ： SACK是TCP头部的一个选项（Kind=5），用于携带“已接收的不连续数据块”信息。 每个SACK块包含两个序号： [ 左边界, 右边界)，表示一个已成功接收的连续数据范围（左闭右开）。 一个ACK报文最多可携带3个SACK块（受TCP选项长度限制）。 三、SACK选项格式与工作机制详解 1. SACK选项格式 Kind ：固定为5。 Length ：选项总字节数（包括Kind和Length本身）。 每个SACK块包含两个32位序号：左边界（包含）、右边界（不包含）。例如块 [ 1000, 2000)表示字节1000~1999已接收。 2. 接收方的SACK生成逻辑 当接收方收到乱序报文段时： 维护一个“已接收但不连续的数据块列表”。 在发送ACK时，除了携带标准的ACK序号（累计确认点），还附带SACK块，描述已接收的不连续数据。 示例： 发送方发送序号：1-1000、1001-2000、2001-3000、3001-4000。 接收方收到：1-1000、2001-3000、1001-2000（乱序）。 接收方先发送ACK=1001（期待1001），无SACK。 收到2001-3000时，发送ACK=1001，SACK块= [ 2001,3000)。 收到1001-2000时，发送ACK=3001（累计确认点前进到3001），此时不再需要SACK。 3. 发送方的SACK处理逻辑 发送方维护一个“SACK接收缓存”，用于记录接收方已确认的不连续数据块： 当收到SACK时，更新对应数据块的“已确认”状态。 结合快速重传机制：当收到3个重复ACK（且SACK指示了新的数据块），发送方可以推断出哪些数据真正丢失，而不是简单地重传所有未确认数据。 核心算法： 基于SACK的重传决策 。 发送方将未确认的数据分为两类：“已知接收方已确认的（通过SACK）”和“可能丢失的”。 只重传那些既未被累计确认、也未被SACK块覆盖的数据段。 四、SACK处理乱序的详细示例 假设发送方发送5个报文段，每个1000字节： 场景 ：网络乱序，到达顺序为：1、2001、3001、1001、4001。 步骤分解 ： 接收方收到Seq=1:1000： 发送ACK=1001（期待1001），无SACK。 收到Seq=2001:3000（乱序）： 期待的还是1001，但已收到2001-3000。 发送ACK=1001，SACK块= [ 2001,3000)。 收到Seq=3001:4000（继续乱序）： 此时已有两个不连续块：2001-3000、3001-4000，可合并为 [ 2001,4000)。 发送ACK=1001，SACK块= [ 2001,4000)。 收到Seq=1001:2000（期待的报文到达）： 此时从1001到4000的数据全部连续。 发送ACK=4001（累计确认点跳到4001），SACK可省略。 收到Seq=4001:5000： 发送ACK=5001。 关键点 ：接收方通过SACK让发送方知道“2001-4000已收到”，发送方即使看到重复ACK=1001，也不会重传2001-4000，只需考虑重传1001-2000（如果判断丢失）。 五、SACK与快速重传/快速恢复的协同 触发快速重传 ：当发送方收到3个重复ACK（ACK=1001），且SACK块显示有新的数据块到达，发送方推断报文段1001-2000可能丢失。 选择性重传 ：发送方检查未确认的数据段，只重传未被SACK覆盖的段落（即1001-2000）。 拥塞控制调整 ： 执行快速恢复，拥塞窗口（cwnd）减半，并进入快速恢复阶段。 每收到一个重复ACK（带有SACK），表示有数据离开网络，cwnd可适当增加，允许发送新数据。 六、SACK的局限性与注意事项 SACK块数量限制 ： TCP选项总长度最多40字节，SACK块通常最多3个（每个块8字节，加上Kind和Length共2字节，3个块占用26字节）。 如果乱序严重且块数超过限制，接收方需选择最重要的块报告（如最老的或最新的块）。 SACK攻击风险 ： 恶意接收方可伪造SACK块，诱使发送方错误认为数据已送达，可能导致数据不被重传（已被防护机制如SACK过滤限制）。 与其它机制的交互 ： 必须与 重复确认计数 结合，避免对轻微乱序过度反应。 在 流量控制 （零窗口）期间，SACK仍可发送，告知发送方哪些数据已接收，但发送方需等待窗口打开。 七、总结 SACK通过“精确反馈”已接收的数据块，极大改善了TCP在乱序和多重丢包场景下的重传效率。 接收方生成SACK块，发送方利用SACK信息进行选择性重传，避免不必要的重传，提升吞吐量。 实际中，SACK是TCP高性能传输的关键选项之一，常与快速重传、快速恢复协同工作，是现代TCP实现（如Linux内核）的标准功能。