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TCP 超时计时器的管理

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前言

本文只是一个简要的笔记，如果想要深入了解，请查阅RFC 2988。适合对TCP有一定了解和基础的人查看。

每连接单一计时器

我们都能想到，如果给每一个TCP分段都分配一个计时器，这是最直接的方法。但是这带来了巨大的内存开销和调度开销。难不成一个TCP通信的服务器负担全用来给分段计时间，这太离谱了，有没有更好的办法，先人已经为我们想到了一个适用至今的方法：采取每个TCP连接单一计时器的设计。

首先我们要明确，这个超时计时器需要实现什么功能：

  1. 有报文长时间没有接收到，必须提示超时。
  2. 这个长时间不能太长也不能太短。

如果这里的超时时间太短了，会导致正常传输的数据包被当成无效数据，网络中充斥大量无效重传，浪费网络资源；如果超时时间太长，就会导致数据传输效率的太低，网络延迟提高。

因此RFC2988制定了下面的原则：

  1. 每次发送包含数据的数据包（包括重传）时，如果定时器没有运行，则启动定时器。如果定时器在运行，就什么也不做。
  2. 当所有未完成的数据都被确认后，关闭定时器。
  3. 当接收到新数据的ACK时候，重新启动定时器。
    当定时器超时时，执行下面的操作：
  4. 指数退避，发送方设置 RTO 为之前的二倍，并且关闭定时器。
  5. 重传 TCP 接收方尚未确认的最早的报文段。
  6. 启动重传定时器。

为什么要有原则 3 ？

假设下面的情况，如果在定时器快到期的时候发送一部分数据。这样在超时前，只能收到定时器刚开始运行时发送的报文段，后续的正常数据包会被当作超时，因此后续的数据都需要重传，这太考验网络的负载和使用者的耐心了。有了原则3，好处自然不用我多说，保证一部分正常数据的不必要重传。

还有就是如果一个ack到来了，说明后续的ack大概率也会到达，即使出现了丢失，也会在两倍的 RTO 内被重传。为什么是两倍呢？举个简单的例子，A和B是两个同时发送的报文段的ACK（假设，一般会将其合并成一个ACK进行发送），发送方在无限接近超时时候收到了A,此时会将定时器重新启动，如果B数据包在网络中丢失，那么发送方再等待一个 RTO 就会知道 B 丢失。这样算下来不就是两倍的 RTO 内会被重传嘛。

RTO的计算

为了计算RTO,TCP的发送方需要维护两个变量：SRTT(平滑往返时间，英文：Smoothed Round-Trip Time)和RTTAR（往返时间变化，英文：Returns the Round Trip Time Variance）。

SRTT、RTTAVR和RTO的计算规则如下：

  1. 测量RTT之前，需要将RTO设置为3秒，此时指数退避依旧有效。
    该计时器实际上会产生2.5秒到3秒的数值。因为使用粒度为G的心跳计时器的实现不应该将计时器设置低于2.5 + G秒。
  2. 当进行第一个 RTT 测量时候，主机必须如下设置:
    • SRTT <- R
    • RTTVAR <- R/2
    • RTO <- SRTT + max(G,K * RTTVAR) 这里的K为4
  3. 当进行了一个后续的往返时间测量 R’ 时，主机必须设置：
    • RTTVAR <- (1 - beta) * RTTVAR + beta * | SRTT - R’|
    • SRTT <- (1 - alpha) * SRTT + alpha * R’
      这里的alpha为1/8，beta = 1/4。（2988里面说是 JK88 建议的，应该是个1988年的论文吧，没找到）。
      这里需要注意的是，计算RTTVAR时用到的SRTT，必须是分配前的数值，也就是说，这两个计算的顺序不能改变。
      计算 RTO 时候，如果其小于 1 秒，上取整。RTO可以设置最大值，但是最大值应该大于60秒。

获取 RTT 的样本

TCP必须使用Karn-Partridge 算法来获取准确的消息往返时间估计。由于重传的模糊性，举个简单的例子，如果一个报文段发送了一次重传，发送方接受到ACK，但是此时的ACK到底是重传报文段的确认还是第一次发送的报文段的确认，这就是重传的模糊性，发送方不知道到底是哪个报文段的确认，这样得到的RTT会有很大的偏差，当然这个问题可以由TCP的时间戳选项来解决。该算法会忽略重传的数据段。仅使用明确的确认（即仅传送一次的段的确认）来估计往返时间。Karn 算法的第一部分规定，当存在重传模糊性时，RTT 值将被忽略，而不是集成到 SRTT 中。

但是也有问题，这么简单粗暴的方法，举个例子，如果TCP延迟显著增加后发送数据，TCP计算超时，并且根据之前的RTT来重新传输数据，极端情况下，TCP忽略所有的重传数据包的RTT,RTO永远不会更新。

其第二部分就是考虑到了这种不太理想的网络情况。为每次重传的RTO设置“退避因子”，也就是常说的指数退避。在不需要重传的成功数据传输发生之前，不会重置退避因子。该部分会放置网络的拥塞，使其能从任何拥塞问题中恢复，还保证了RTT信息不会丢失，当数据成功传输而无需重传时，可以将伴随的RTT测量添加到SRTT中。

目前很多TCP实现了时间戳，这样就方便多了，发送端再也不需要保存发送分段的时间了，只需要将其放入协议头的时间戳字段，然后接收端将其回显在ACK即可，然后发送端收到ACK后，取出时间戳，和当前时间做算术差，即可完成一次RTT的测量。

需要注意的是：TCP 实现可以在多次回退计时器后清除 SRTT 和 RTTVAR，因为在这种情况下当前 SRTT 和 RTTVAR 很可能是假的。一旦 SRTT 和 RTTVAR 被清除，它们应该采集的下一个 RTT 样本进行初始化（RTO的第二步）。

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