TCP/IP详解学习笔记(12)-TCP的超时与重传

超时重传是TCP协议保证数据可靠性的另一个重要机制,其原理是在发送某一个数据以后就开启一个计时器,在一定时间内如果没有得到发送的数据报的ACK报文,那么就重新发送数据,直到发送成功为止。

1.超时

超时时间的计算是超时的核心部分,TCP要求这个算法能大致估计出当前的网络状况,虽然这确实很困难。要求精确的原因有两个:(1)定时长久会造成网络利用率不高。(2)定时太短会造成多次重传,使得网络阻塞。所以,书中给出了一套经验公式,和其他的保证计时器准确的措施。

1.1.递推公式概说

最早的TCP曾经用了一个非常简单的公式来估计当前网络的状况,如下

R<-aR+(1-a)MRTP=Rb

其中a是一个经验系数为0.1,b通常为2。注意,这是经验,没有推导过程,这个数值是可以被修改的。这个公式是说用旧的RTT(R)和新的RTT(M)综合到一起来考虑新的RTT(R)的大小。但是,我们又看到,这种估计在网络变化很大的情况下完全不能做出“灵敏的反应”(Jacoboson说的,不是偶说的,呵呵),于是就有下面的修正公式:

Err=M-AA<-A+gErrD<-D+h(|Err|-D)RTO=A+4D

具体的解释请看书的228页,这个递推公式甚至把方差这种统计概念也使用了进来,使得偏差更加的小。而且,必须要指出的是,这两组公式更新,都是在数据成功传输的情况下才进行,在发生数据重新传输的情况下,并不使用上面的公式进行网络估计,理由很简单,因为程序已经不在正常状态下了,估计出来的数据也是没有意义的。

1.2.RTO的初始化

RTO的初始化是由公式决定的,例如最初的公式,初始的值应该是1。而修正公式,初始RTO应该是A+4D。

1.3.RTO的更新

当数据正常传输的情况下,我们就会用上面的公式来更新各个数据,并重开定时器,来保证下一个数据被顺利传输。要注意的是:重传的情况下,RTO不用上面的公式计算,而采用一种叫做“指数退避”的方式。例如:当RTO为1S的情况下,发生了数据重传,我们就用RTO=2S的定时器来重新传输数据,下一次用4S。一直增加到64S为止。

1.4.估计器的初始化

在这里,SYN用的估计器初始化似乎和传输用的估计器不一样(我也没有把握)造我的理解,在修正公式中,SYN的情况下,A初始化为0,D初始化为3S。

而在得到传输第一个数据的ACK的时候,应该按照下面的公式进行初始化:

A=M+0.5D=A/2

1.5.估计器的更新

和上面的讨论差不多,就是在正常情况下,用上面的公式计算,在重传的情况下,不更新估计器的各种参数。原因还是因为估计不准确。

1.6.Karn算法

这不算是一个算法,这应该是一个策略,说的就是更新RTO和估计器的值的时机选择问题,1.3.和1.5.所说得更新时机就是Karn算法。

1.7.计时器的使用

两句话:

  1. 一个连接中,有且仅有一个测量定时器被使用。也就是说,如果TCP连续发出3组数据,只有一组数据会被测量。
  2. ACK数据报不会被测量,原因很简单,没有ACK的ACK回应可以供结束定时器测量。

2.重传

有了超时就要有重传,但是就算是重传也是有策略的,而不是将数据简单的发送。

2.1.重传时发送数据的大小

前面曾经提到过,数据在传输的时候不能只使用一个窗口协议,我们还需要有一个拥塞窗口来控制数据的流量,使得数据不会一下子都跑到网路中引起“拥塞”。也曾经提到过,拥塞窗口最初使用指数增长的速度来增加自身的窗口,直到发生超时重传,再进行一次微调。但是没有提到,如何进行微调,拥塞避免算法和慢启动门限就是为此而生。

所谓的慢启动门限就是说,当拥塞窗口超过这个门限的时候,就使用拥塞避免算法,而在门限以内就采用慢启动算法。所以这个标准才叫做门限,通常,拥塞窗口记做cwnd,慢启动门限记做ssthresh。下面我们来看看拥塞避免和慢启动是怎么一起工作的

算法概要(直接从书中拷贝)

  1. 对一个给定的连接,初始化cwnd为1个报文段,ssthresh为65535个字节。
  2. TCP输出例程的输出不能超过cwnd和接收方通告窗口的大小。拥塞避免是发送方使用 的流量控制,而通告窗口则是接收方进行的流量控制。前者是发送方感受到的网络拥塞的估 计,而后者则与接收方在该连接上的可用缓存大小有关。
  3. 当拥塞发生时(超时或收到重复确认),ssthresh被设置为当前窗口大小的一半(cwnd 和接收方通告窗口大小的最小值,但最少为2个报文段)。此外,如果是超时引起了拥塞,则 cwnd被设置为1个报文段(这就是慢启动)。
  4. 当新的数据被对方确认时,就增加cwnd,但增加的方法依赖于我们是否正在进行慢启 动或拥塞避免。如果cwnd小于或等于ssthresh,则正在进行慢启动,否则正在进行拥塞避免。 慢启动一直持续到我们回到当拥塞发生时所处位置的半时候才停止(因为我们记录了在步骤2 中给我们制造麻烦的窗口大小的一半),然后转为执行拥塞避免。

补充上面的拥塞避免公式在P238页。这整个的流程让我联想到开车换档的过程。

2.2.快速重传和快速恢复算法

这是数据丢包的情况下给出的一种修补机制。一般来说,重传发生在超时之后,但是如果发送端接受到3个以上的重复ACK的情况下,就应该意识到,数据丢了,需要重新传递。这个机制是不需要等到重传定时器溢出的,所以叫做快速重传,而重新传递以后,因为走的不是慢启动而是拥塞避免算法,所以这又叫做快速恢复算法。流程如下:

  1. 当收到第3个重复的ACK时,将ssthresh设置为当前拥塞窗口cwnd的一半。重传丢失的 报文段。设置cwnd为ssthresh加上3倍的报文段大小。
  2. 每次收到另一个重复的ACK时, cwnd增加1个报文段大小并发送1个分组(如果新的 cwnd允许发送)。
  3. 当下一个确认新数据的ACK到达时,设置cwnd为ssthresh(在第1步中设置的值)。这个 ACK应该是在进行重传后的一个往返时间内对步骤1中重传的确认。另外,这个ACK也应该 是对丢失的分组和收到的第1个重复的ACK之间的所有中间报文段的确认。这一步采用的是拥 塞避免,因为当分组丢失时我们将当前的速率减半。

2.3.ICMP会引起重新传递么?

答案是:不会,TCP会坚持用自己的定时器,但是TCP会保留下ICMP的错误并且通知用户。

2.4.重新分组

TCP为了提高自己的效率,允许再重新传输的时候,只要传输包含重传数据报文的报文就可以,而不用只重传需要传输的报文。

 
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