前言

TCP是个可靠的协议，网络又是复杂不可控的环境，那么如果出现发送包丢失、校验失败接收包丢弃、回复ACK丢失等等请求都需要发送方进行重试。具体TCP实现上有哪些机制保障了消息及时准确的重试，希望文章能解答这个问题。


为什么要重传

其实前言已经提到了，在包各种丢失的场景中，TCP又要保障所有包必须到达，所以需要有重传机制。

这里有两个前提先声明下：

  • TCP首部中SeqNum和ACK的值是以字节数为单位。
  • ACK的值表示之前的Segment都已经收到了，期待的下一个Segment的Seq值。

重传的方式

正常的场景：

再看一个异常场景：
发送方发送5个数据包，包1、包2、包3、包4、包5，假如接收方收到了包1、包3、包4、包5，此时包2未收到，TCP应该如何处理？

常见的重传机制包括：

  • 超时重传
  • 快速重传
  • SACK
  • D-SACK

超时重传

所谓超时重传，发送方发出的包一直收不到ACK，超过一定时间，触发重传对应的包。

超时时间的计算算法看后面的文章，目前知道有这么个时间。

收不到ACK有可能：

  • 发出去的包丢了，接收方未收到
  • 接收方收到了包，回复的ACK丢了

例如，包1到了回复ACK，包2未到，包3到了。一种方式是接收方不回包3的ACK，等待发送端包2的到达。直达发送发超时。

此时发送方面临两种重传选择：

  • 仅仅包2超时了，重传包2的Segment数据
  • 重传包2及后面的所有包数据，因包3没有ACK，即便已经收到了，发送方也很不知道咋回事

第一种会节省带宽，但是可能包3也丢了，都等超时整个过程比较慢；第二种一起重传可能浪费了带宽，但是整体缩短了，但也可能因为后面的包没丢浪费了带宽。

小结：不管哪种方式，都不怎么好，发送方知道的太少了，而且需要等待包超时。


快速重传

TCP出现了一种快速重传的机制，叫Fast Retransmit。如果出现丢包，后续的包到达，接收方进行ACK希望收到的包，发送方连续收到重复的ACK，如果出现3次重复的ACK，进行快速重传。

这是一种接收方给发送方的信号，给到我想要的包。

如图所示，当发送方连续收到3个相同的ACK时，便会进行快速重传对应的包。

这里的重复次数“3”不包括收到正常的ACK的那次。

小结：快速重传解决了时间问题，仍然面临着重传哪些包的问题，因为导致duplicate ACK的包并没有什么规律。另外，有可能丢包后的duplicate不够3次，so，超时重传机制要有。


SACK方法

SACK（Selective Acknowledgment）选择性确认，这个SACK是TCP首部的Options中的类型，表示了收到的数据碎块，即已经收到的数据。

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如图所示：发送方能清晰的知道哪些包已经到了，哪些包需要重传（200-299，400-499）。

小结：SACK成功解决了快速重传中的问题，这个选项需要双端都支持。默认Linux2.4下打开，参数是net.ipv4.tcp_sack。

注意，这里有个概念叫接收方Reneging，即接收方可能把发回给发送方SACK的数据弄丢，它不能代表ACK，例如内存太够的情况下。所以发送方不能依赖SACK来决定后续要不要发送，一切还是要看ACK的值。so，超时重传机制要有。


D-SACK

D-SACK即Duplicate SACK，用来告诉发送方收到了哪些重复的SACK。

TCP首部没有单独的D-SACK，它还是SACK选项，只是将重复的SACK称为D-SACK：

  • 当SACK的第一个Seq号区间小于ACK号，那么它就是D-SACK。

场景举例如下：

ACK丢失

图中，最后一个回复可知ACK 300之前的数据都收到了，SACK 100-200是属于重复发送的数据。因为ACK 300发送端没有收到过（这是关键点），所以这时候发送端就知道是ACK丢失了。

网络延迟

如图，包200-299在网络中迷失，其它的包都到了，通过3次重复ACK触发了快速重传且收到了单独的ACK 500；而后原来在网络中延迟的包到达，此时接收端ACK 500时增加SACK 200-300表示重复收到数据。因为ACK 500发送端已经收到过（这是关键点），所以这时候发送端就知道是发送的包有延迟。

引入了D-SACK，有一些好处，如下：

  • 可以让发送方知道是发出的包丢了，还是回来的ACK丢了。
  • 网络上是不是出现了先发的包后到的情况（又叫recording）。
  • 网络上是不是把发送方的数据包进行复制发送了。

小结：D-SACK对于帮助TCP了解网络状况很有帮助，TCP可以更好的进行流量控制。默认Linux2.4下打开，参数是net.ipv4.tcp_dsack。


总结

TCP的重传机制包括了超时重传、快速重传、SACK、D-SACK。他们并不是相互独立的，例如超时重传机制是最基础也是TCP可靠传输的保障，其它的几种机制则是应对特殊场景一步步进化而来，能够帮助TCP知道更多的细节。网络是复杂的，优化手段也要跟着不断升级。