TCP 可靠传输机制

序列号、确认应答、超时重传、滑动窗口 — TCP 如何在不可靠的网络上保证可靠传输？

1. 可靠的基石：序列号与确认

RFC 9293 明确指出：TCP 连接上发送的每个字节都有一个序列号。32 位序列号空间从 0 到 2^32-1（约 4.3 GB），循环使用。

1.1 序列号（Sequence Number）

TCP 为每个发送的字节编号。段头部的序列号字段是该段中第一个数据字节的序列号。

段中数据：[ 字节A | 字节B | 字节C | 字节D ]
             ↑
        SEQ = 序列号(A)

注意：SYN 和 FIN 标志也消耗一个序列号。携带 SYN 的段，SEQ 就是 ISN，第一个数据字节的序列号为 ISN+1。

1.2 确认号（Acknowledgment Number）

确认号表示"我期望收到的下一个字节的序列号"。TCP 使用累积确认——ACK=X 意味着 X-1 及之前的所有字节都已收到。

发送方                              接收方
  |── seq=100, data(200字节) ──→|   收到 100~299
  |                           |
  |←── ack=300 ────────────────|   "我要第 300 号"

2. 超时重传（RTO）

2.1 RTO 的计算

TCP 根据测量的往返时间（RTT）动态计算重传超时（RTO）。RFC 6298 规定的经典算法：

SRTT = (1-α) × SRTT + α × RTT_measured      (α = 1/8)
RTTVAR = (1-β) × RTTVAR + β × |SRTT - RTT_measured|  (β = 1/4)
RTO = SRTT + max(G, 4 × RTTVAR)              (G = 时钟粒度)

2.2 Karn 算法

问题：重传后收到的 ACK，无法区分是对原始段还是重传段的确认。如果误用会导致 RTT 估算严重失真。

Karn 算法：重传的段不用于更新 RTT 估计。当收到重传段的 ACK 时，RTO 翻倍（指数退避），直到收到非重传段的 ACK。

2.3 重传策略

  • 超时未收到 ACK → 重传最早的未确认段 → RTO 翻倍
  • 连续重传多次（通常 5-15 次）仍未成功 → 认为连接失效，发送 RST 关闭

3. 滑动窗口（Sliding Window）

滑动窗口是 TCP 实现流量控制的核心机制。

3.1 窗口的概念

接收方通过 TCP 头部的窗口大小字段（16 位，最大 65535 字节，可用窗口缩放选项扩展）告知发送方：

"我还能收多少字节，请别发超了"

发送方窗口：
├──── 已发送已确认 ────┼── 已发送未确认 ──┼── 可发送未发送 ──┼── 不可发送 ────┤
                      ↑ SND.UNA           ↑ SND.NXT         ↑ SND.UNA+SND.WND
                      ←─── SND.WND ──────→

3.2 窗口滑动

随着 ACK 到达，窗口向右滑动：

ACK 前: [已确认...|未确认...|可发送...|不可发送...]
ACK 后: [........已确认........|未确认...|可发送...|不可发送...]
                               ← 窗口右移 →

3.3 零窗口处理

当接收方窗口为 0 时，发送方停止发送并启动持续定时器（Persist Timer），周期性发送窗口探测段（1 字节数据），检查窗口是否恢复。

窗口综合症（Silly Window Syndrome）：接收方每次只释放很小窗口（如 1 字节），发送方每次只发很少数据。双方均使用 Clark 算法避免：

  • 接收方：窗口足够大（至少 1 MSS 或缓冲区的一半）才通告
  • 发送方：积累足够数据（至少 1 MSS 或窗口的一半）才发送

4. 流量控制 vs 拥塞控制

维度流量控制拥塞控制
目的防止发送方淹没接收方防止发送方淹没网络
关注对象接收方的处理能力网络的承载能力
核心机制滑动窗口（rwnd）拥塞窗口（cwnd）
信息来源接收方通告窗口大小丢包/延迟等网络信号
发送上限min(cwnd, rwnd)—

发送方实际可发送量 = min(拥塞窗口 cwnd, 接收方通告窗口 rwnd)

5. 选择性确认（SACK）

传统 TCP 只支持累积确认——ACK=X 表示 X 之前的所有字节都收到了。如果一个段丢失，即使后面的段都收到了，ACK 还是指向丢失处，发送方需要重传丢失段及之后所有段。

SACK（Selective Acknowledgment）[RFC 2018] 允许接收方通过 TCP 选项告知发送方：

"我收到了字节 1000-1999 和 3000-3999，但 2000-2999 丢了"

发送方可以只重传丢失的 2000-2999，不需要重传 3000-3999。这在长肥管道（LFN）上显著提升性能。

6. 小结

TCP 的可靠传输由多个机制协同实现：

  1. 序列号：每个字节有编号，保证有序
  2. 确认应答：累积确认，知道哪些数据已到达
  3. 超时重传：未确认的数据有人兜底重发
  4. 滑动窗口：接收方说"只能收这么多"，发送方不超发
  5. SACK：精准定位丢失段，避免不必要的重传

这些机制让 TCP 在不可靠的 IP 网络上实现了"万无一失"。

本篇要点

  • TCP 可靠传输的六大机制：序列号、确认应答（累积确认）、超时重传、校验和、滑动窗口（流量控制）、拥塞控制
  • 累积确认：ACK=N 表示 N-1 及之前的所有字节都已收到；优点是实现简单，缺点是一个段丢失会阻塞后续确认
  • RTO 动态计算：RTO = SRTT + 4×RTTVAR，Karn 算法规定重传段不用于 RTT 估算（避免二义性）
  • 滑动窗口实现流量控制：接收方通过窗口大小告知发送方能收多少，窗口为 0 时发送方启动持续定时器探测
  • SACK（选择性确认）让发送方只重传真正丢失的段，避免累积确认导致的不必要重传
  • 发送方实际可发送量 = min(拥塞窗口 cwnd, 接收方通告窗口 rwnd)
  • 判断重传的两种方式：超时重传（RTO 到期）和快速重传（连续 3 个重复 ACK）