TCP系列16—重传—6、基础快速重传(Fast Retransmit)

一、快速重传介绍

按照TCP协议，RTO超时重传是一个非常重要的事件，当RTO超时的时候，TCP会同时通过两种方式非常谨慎的降低发送数据包的速率，一种是基于拥塞控制削减发送窗口的大小，另外一个是通过指数回退增加每次RTO超时的时间(即karn算法的第二部分)。所以RTO超时后有可能会导致网络容量的利用不足。

最开始我们介绍tcp重传的时候就介绍过TCP还有另外一种重传方式--快速重传。快速重传是RFC5681定一个的一个过程。快速重传不依赖定时器的超时，而是依靠ACK确认包来进行重传。使用快速重传相比RTO超时重传通常可以更高效的修复TCP丢包问题。快速重传是基于一个前提：即按照RFC5681，当TCP收到一个乱序报文的时候应该立即回复ACK确认包，而不会延迟ACK(延迟ACK介绍参考之前文章介绍)确认。另外RFC5681还指出如果接收序列号空间存在洞，新接收的报文完全填充了这个洞或者部分填充了这个洞，TCP也应该立即回复一个ACK确认包以便发送端及时获取接收端相关的信息。

我们举个例子假设有5个TCP报文，P1(1-10)、P2(11-20)、P3(21-30)、P4(31-40)、P5(41-50)，其中括号中标注的是报文的比特系列号，每个报文的长度都为10bytes。假设发送端依次发送这5个报文，其中P2报文在网络传输过程中丢失，P1、P3、P4、P5报文依次按序到达，接收端收到这P1的时候发送ack=11的确认包(实际上这里可能会延迟发送ACK报文，为了描述简单我们假设立即发送ACK报文)，接收端收到P3的时候发现是乱序的报文则会立即回复ack=11确认包(还记得ACK是累计确认的吧，因为P2丢失了ACK只能累计到11)，同样后面收到P4和P5的时候还是会回复ack=11的确认包。这样发送端就会连续接收到4个ack=11的确认包，后面三个确认包因为和第一个ack number重复，因为称呼为duplicate ACK。因此接收端就可以依据dup ACK来推测接收端的接收情况。但是我们之前说过IP层不会向TCP提供有序的数据报文，如果网络传输过程中发生乱序导致接收端接收顺序变为P1、P3、P2、P4、P5，这样的情况下也会产生一个dup ACK。另外还有一种情况是IP层dup了ACK报文。我们通过一个dup ACK并不能可靠的确认是发生了丢包还是发生了乱序传输，因此会存在一个门限(duplicate ACK threshold或者叫做dupthresh)，当TCP收到的dup ACK数超过这个门限的时候，就会认为发生了丢包，进而初始化一个快速重传。最初协议中给出的dupthresh这个门限是3，但是RFC 4653给出了一种调整dupthresh的方法。Linux中则可以通过/proc/sys/net/ipv4/tcp_reordering来设置默认值，另外Linux可能还会根据乱序测量的结果来更新实际的dupthresh。dupthresh的范围最终会在/proc/sys/net/ipv4/tcp_reordering和/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_reordering之间。在没有使能SACK的时候，快速重传只会重传一个数据包，在使能SACK时候，SACK可以反映接收端是否存在系列号洞，进而允许发送端根据SACK的情况同时传输多个数据包。SACK的内容留到后面介绍。

最后补充一下window update的判断，一般如果一个TCP报文满足下面三个条件之一的话，linux就会认定这个报文是window update消息，被认定为window update的确认包是不会统计到dup ACK里面的，后面介绍窗口管理的时候还会进一步介绍一下window update。

1、ack number比之前接收的最大的ack number还要大

2、系列号seq比之前接收到的最大系列号还要大

3、系列号seq与之前接收到的系列号相同，但是TCP头中的window size字段发生了变化

二、wireshark示例

1、快速重传与RTO超时

设置/proc/sys/net/ipv4目录下tcp_retries2=8,tcp_early_retrans=0,tcp_sack=0,tcp_reordering=3,tcp_discard_on_port =9877(该参数为自加参数)。

• client通过rawsocket与server建立连接，对应No1-No3报文

• client先发送6bytes的数据，服务器回复ACK确认包，对应No4-No5报文

• 服务器连续发送5个len=8的报文，对应No6-No10

• client对No6报文回复ACK确认报文，对应No11

• client丢弃No7报文来模拟传输过程中丢包，并对No8-No10报文回复dupACK，对应No12-No14

• server端在收到三个dup ACK后，认为No7报文已经丢失并立即触发快速重传，同时设置RTO超时定时器，对应No15

• client对之后收到的报文直接丢弃不在回复ACK确认包

• server端RTO超时后，继续重传对应的报文，并进行指数回退过程。最终多次RTO超时重传失败后，server端释放TCP连接，对应No16-No21。

2、快速重传与window update消息

设置/proc/sys/net/ipv4目录下tcp_retries2=8,tcp_early_retrans=0,tcp_sack=0,tcp_reordering=3,tcp_discard_on_port =9877(该参数为自加参数)。

• client通过rawsocket与server建立连接，对应No1-No3报文

• client先发送6bytes的数据，服务器回复ACK确认包，对应No4-No5报文

• 服务器连续发送5个len=8的报文，对应No6-No10

• client丢弃No6报文来模拟传输过程中丢包，并对No7-No10报文回复dupACK，对应No11-No14

• 从wireshark抓包看，server端在收到四个dup ACK后，才认为No6报文已经丢失并立即触发快速重传，同时设置RTO超时定时器，对应No15

• client对之后收到的报文直接丢弃不在回复ACK确认包

• server端RTO超时后，继续重传对应的报文，并进行指数回退过程。最终多次RTO超时重传失败后，server端释放TCP连接，对应No16-No21。

那么这里问题来了，我们设置的tcp_reordering为3,也就是dupthresh值为3(实际上dupthresh可以动态调整，但是在这次测试中没有发生调整)，那为什么这里快速重传的触发需要四个dup ACK呢？原因是这里No11对应的ACK报文，相比于No4的ACK报文虽然ack number都为3741168164，但是两者的Seq却发生了变化，因此linux认为No11是一个window update消息，而linux并不把window update消息计入dup ACK，后面收到的No12-No14报文才会被TCP认为是dup ACK，因此直到收到No14报文TCP才会认为dup ACK达到快速重传门限，触发快速重传。这里也反映了wireshark和linux在dup ACK认定上的差异性。

3、快速重传与recovery point

下面我们在看一个快速重传后触发RTO超时重传然后收到ACK确认包的场景。这个测试过程与上一个示例类似，差异部分在于接收端在收到No18的重传报文以及之后的报文的时会回复一个ACK确认包。我们可以看到在触发快速重传之前，正常传输的数据中最高系列号的下一个待发送系列号为No10报文对应的1751769800(即1751769792+8)，这个系列号节点称呼为recovery point，而No19确认包中Ack=1751769768小于之前的1751769800，对于这种ACK确认报文，TCP称呼为partial ACK。在TCP收到parital ACK报文的时候则会立即触发快速重传，如No20、No22、No23、No25所示。截图中最后一个RST消息则是由于server端应用层没有读取server缓存中的数据(No4报文的数据)而直接close，因此会产生RST消息。实际的消息流中还有一个No29消息则是由于client使用raw socket编写的程序没有处理server端的RST消息，client关闭的时候简单的发送了一条RST消息来通知server。

我们同时注意到，在发送端收到No19一个ACK确认包的时候，只是发出去了一个重传包，而在收到No21确认包的时候，TCP却发出去了两个重传包。这种差异则是由于TCP的拥塞控制造成的，后面我们讲到拥塞控制的时候在通过几个示例来介绍说明。

补充说明：

1、快速重传代码点tcp_fastretrans_alert，window update消息和dup ack的判断在tcp_ack_update_window和tcp_ack中

来自为知笔记(Wiz)