超时重传与 RTO 计算

为什么需要超时重传

TCP 承诺可靠传输，但 IP 网络可能丢包。发送方发出数据后，如果在合理时间内未收到 ACK，必须重传——这就是**超时重传（Retransmission Timeout, RTO）**机制。

RTO 的核心挑战：设太短，网络轻微延迟就触发不必要的重传（加剧拥塞）；设太长，丢包后迟迟不恢复（降低吞吐）。RTO 必须动态自适应网络状况。

RTT 测量

RTT（Round-Trip Time，往返时间）= 报文发送时刻 → 收到对应 ACK 时刻的差值。

关键问题：如何确定 ACK 对应哪个报文？

Karn 算法：解决重传歧义

当定时器超时触发重传后，发送方无法区分收到的 ACK 是对原始报文还是重传报文的确认。Karn 算法规定：

重传后的 ACK 不用于更新 RTT 估计

指数退避（Exponential Backoff）：每次重传后，RTO 加倍，直到上限（通常 64 秒）。

第 1 次重传：RTO = 2 × 当前 RTO
第 2 次重传：RTO = 4 × 原始 RTO
第 3 次重传：RTO = 8 × 原始 RTO
...
上限：RTO ≤ 64 秒

RTO 标准算法（RFC 6298）

RFC 6298（替代 RFC 793 的原始算法）定义了现代 TCP 的 RTO 计算：

初始化

SRTT = 首次测量的 RTT
RTTVAR = 首次测量的 RTT / 2
RTO = SRTT + 4 × RTTVAR

后续更新（收到新 RTT 样本时）

RTTVAR = (1 - β) × RTTVAR + β × |SRTT - RTT_sample|
SRTT = (1 - α) × SRTT + α × RTT_sample
RTO = SRTT + 4 × RTTVAR

传统取值：α = 1/8，β = 1/4

边界约束

  • RTO ≥ 1 秒（防止过短）
  • RTO ≤ 上限（通常 64 秒）
  • 重传后 RTO 加倍（指数退避）

计算示例

假设 α=1/8, β=1/4

第 1 次：RTT=100ms
  SRTT = 100ms
  RTTVAR = 50ms
  RTO = 100 + 4×50 = 300ms

第 2 次：RTT=120ms
  RTTVAR = 3/4×50 + 1/4×|100-120| = 37.5 + 5 = 42.5ms
  SRTT = 7/8×100 + 1/8×120 = 87.5 + 15 = 102.5ms
  RTO = 102.5 + 4×42.5 = 272.5ms

第 3 次：RTT=90ms
  RTTVAR = 3/4×42.5 + 1/4×|102.5-90| = 31.875 + 3.125 = 35ms
  SRTT = 7/8×102.5 + 1/8×90 = 89.6875 + 11.25 = 100.9375ms
  RTO = 100.9375 + 4×35 = 240.9375ms

观察：RTT 波动大时，RTTVAR 增大，RTO 保守；RTT 稳定时，RTTVAR 减小，RTO 激进。

时间戳选项与更精确的 RTT 测量

RFC 7323 引入时间戳选项后，RTT 测量更精确：

发送方在报文中放入 TSval（发送时刻）
接收方在 ACK 中回显 TSecr = 收到的 TSval
发送方收到 ACK 后：RTT = 当前时刻 - TSecr

优势：

  • 每个报文都有独立的时间戳，ACK 对应关系明确
  • 窗口大、ACK 稀少时仍能频繁采样 RTT
  • 支持 PAWS（防序列号回绕）

本篇小结

  • RTO 是 TCP 可靠性的最后防线，必须动态自适应
  • RTT 测量存在重传歧义：无法区分 ACK 对应原始报文还是重传报文
  • Karn 算法：重传后的 ACK 不用于更新 RTT，RTO 指数退避
  • RFC 6298 标准算法：SRTT + 4×RTTVAR，α=1/8, β=1/4
  • 边界：RTO ≥ 1 秒，重传后加倍，上限 64 秒
  • 时间戳选项：更精确的 RTT 测量 + PAWS

动手实践

  1. 查看 Linux RTO 相关参数：

    sysctl net.ipv4.tcp_rto_min
sysctl net.ipv4.tcp_retries2

  2. Wireshark 抓包观察重传：

    • 过滤 tcp.analysis.retransmission
    • 观察原始报文与重传报文的时间差（即 RTO）

  3. 用 tc 模拟延迟，观察 RTO 自适应：

    sudo tc qdisc add dev eth0 root netem delay 100ms
# 测试后删除
sudo tc qdisc del dev eth0 root

  4. 手工计算：假设 SRTT=200ms, RTTVAR=50ms，新测得 RTT=300ms，更新后的 RTO 是多少？