28-TCP 协议（超时与重传）

TCP 超时与重传应该是 TCP 最复杂的部分之一了。Windows 和 Linux 对这部分的实现还有所不同，但是算法基本上还是差不多的。

超时重传是 TCP 保证可靠传输的基础。当 TCP 在发送数据时，数据和 ack 都有可能会丢失，因此，TCP 通过在发送时设置一个定时器来解决这种问题。如果定时器溢出还没有收到确认，它就重传数据。

无论是 Windows 还是 Linux，关键之处就在于超时和重传的策略，需要考虑两方面：

• 超时时间设置
• 重传的频率（次数）

目前来说，在 Linux 较高的内核版本中，比如 3.15 中，已经有了至少 9 个定时器：超时重传定时器，持续定时器，ER延迟定时器，PTO定时器，ACK延迟定时器，SYNACK定时器，保活定时器，FIN_WAIT2定时器，TIME_WAIT定时器。

这实在是太多了，对初学者来说，我们重点掌握以下 4 个：

• 超时重传定时器（retransmit）
• 持续定时器（persist）
• 保活定时器（keepalive，这和 HTTP 协议中的 keepalive 不是同一个概念）
• TIME_WAIT 定时器

1. 一个超时重传的例子

图1 超时重传

本实验所使用的程序路径为 unp/program/echo/processzombie/echo.cc，你可以直接使用 make 命令进行编译。

• 服务器端启动方式

$ ./echo -s -h flower // 或者你可以这样写 ./echo -s -h 192.168.166.47，flower 是我其中一台 linux 主机的名字

• 客户端启动方式

$ ./echo -h flower // 或者你可以写 ./echo -h 192.168.166.47

当客户端连接成功后，发送一行数据'helloworld'，对方回射回来，一切正常，接下来，将服务器主机 flower 断网，然后客户端再次发送数据 'hehe'。

大约等等了 16 分钟左右(图2)，客户端返回一个错误：No route to host.

图2 客户端等待约 16 分钟后返回错误

图3 第 9 次重传后，主机亲自发送 ARP 协议询问对方 MAC 地址

做这个实验时，两个主机都属于同一个网段，有机会，我会将两个主机放到不同的网段再试一次，看看结果是否还是这样。因为在同一个网段，主机 sun 发送了 $17\times3 = 51$ 次 ARP 请求，每发 3 次 ARP 就等 50 s 左右。

实验反映的现象已经和 《TCP/IP 详解卷1：协议》（后面简称《详解》）不再一致。

《详解》中的第 21 章的例子（图 21-1），是在经历了 12 次重传后放弃（约 9 分钟），向对方发送 RST 段。

《详解》这本书由 W.Richard Stevens（1951-1999） 在 1993 年编写，时隔 24 年，TCP/IP 协议早已经历了无数次的演化，这和书上描述的现象不一致太正常了。然而，Stevens 先生不幸在 1999 年去逝（据说是攀岩失足？），这是计算机科学界和教育界最重大的损失。

虽然超时重传算法今非昔比，但是如果直接拿到现在所使用的算法来讲解，初学者也会因为太复杂而放弃学习，所以，还是按照 Stevens 先生在《详解》叙述的算法来学习吧！

2. 往返时间（RTT）

超时重传时间（Retransmission TimeOut, RTO）要怎么设置呢？

数据包过去，到 ack 返回，这个时间一般约等于 RTT 时间，如果一个 RTT 时间内没有收到 ack，很可能对方就没有收到数据，或者回送的 ack 丢失。

所以，最直观的想法是，RTO 应该比 RTT 稍稍大一点。

比如:

当然，这只是我们自己臆想的公式，说不定，TCP 一开始创造出来的时候，RTO 真的是这么算的呢？

2.1 RTT 测量

可是，在公式中，RTT 是如何测量呢？在 TCP 中，每一次数据包传送过去到接收到对方的 ack 这个时间差，就会被 TCP 记录，然后保存到一个变量 $RTT_s$ 中去。

在局域网中，我们的网络一般是很稳定的，每次重新计算一个 RTT，基本上变化不太大，但是在广域网中，网络就会变得异常复杂，这一次的 RTT 为 100ms，说不定下一次就变 800 ms 了，这时候，采用实时计算的 RTT 就会不合理，在 RFC 中，使用了加权的 RTT。它的公式如下：

RFC 2988 建议 $\alpha = 0.125$。上面这个公式说明，我想使用旧的 $RTT_s$ 中的 87.5% 的成分，新的 RTT 样本中 12.5% 的成分，这样就不至于让加权的 $RTT_s$ 发生剧烈抖动。一个直观的例子就是，某些同学的成绩太差，拉低了班级的整体水平，为了防止这种现象，可以在计算平均值的时候动些手脚。

举个例子，当前 $RTT_s = 200 ms$，最新一次测量的 $RTT = 800ms$，那么更新后的 $RTT_s = 200\times0.875 + 800\times0.125 = 275 ms$.

2.2 $\Delta t$ 怎么定义

在前面，我们臆想了一个公式：

现在我们将其更新为

$RTT_S$ 的计算方法我们在 2.1 中已经介绍过了，现在是 $\Delta t$ 是什么，它怎么算？我们只知道，它应该很小。RFC 2988 规定：

因此，按照上面的定义，$\Delta t = 4\times RTT_D$. 而 $RTT_D$ 计算公式如下：

实际上，$RTT_D$ 就是一个均值偏差，它就相当于某个样本到其总体平均值的距离。这就好比你的成绩与你班级平均成绩差了多少。

RFC 推荐 $\beta = 0.25$.

2.3 指数退避

假设在某一次发送数据的时候，数据丢失了，根据前面的公式，我们计算出了一个 RTO 值。如果和重传后，还是没有等到对方的 ack，那么 RTO 的值就会翻倍。只要重传的的数据没有 ack，那么 RTO 就会一直翻倍。

则第 n 次重传的 $RTO_n$ 值为：

2.3 Karn 算法

假设一个分组被发送，经过若干次和重传后，收到了对方的 ack，则新的 RTT 如何计算呢？实际上，我们根本没有办法知道这个 ack 是对哪一次重传数据的确认，因此，Karn 算法规定：此时不更新 $RTT_s$ 的值。

如果下一次再发生重传，使用退避后的 RTO 的值。

3. 回到图 1

在图 1 中，我们发现，第一次重传的 $RTT_s = 0.225s$，而第二次，并没有使用指数退避算法，到了第 3 次重传才使用了指数退避算法，后面依次是 0.451, 0.902, 1.804, 3.612, 7.215, 14.416, 28.865。

另一方面，如果我们按照前面的 $RTT_s$ 计算公式，计算出来的 $RTT_s$ 肯定是非常小的，大概就只有几毫秒，如果根据这个来计算 RTO，肯定也几毫秒的样子。可是为什么重传超时时间的 $RTO$达到了约200ms？ 现代的 Linus 内核中，规定了 RTO 有一个最大值和最小值，最大值是是 120 秒，最小是 200 ms：

#define TCP_RTO_MAX ((unsigned)(120*HZ))  // 120秒
#define TCP_RTO_MIN ((unsigned)(HZ/5))    // 0.2s

另一方面，为什么 Linux 中的 TCP 重传 8 次后就在那停住，还得去看内核到底是怎么实现的了。相信大家在掌握了基本的 TCP 超时原理后，一定会找出这个答案的。

4. 总结

• 理解超时重传时间如何计算