超时重传的原理是在发送某一个数据以后就开启一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送的数据报的ACK报文，那么就重新发送数据，直到发送成功为止。

引入两个概念：

  • RTT（Round Trip Time）：往返时延，也就是数据包从发出去到收到对应ACK的时间。RTT是针对连接的，每一个连接都有各自独立的RTT。
  • RTO（Retransmission Time Out）：重传超时时间，TCP发送方在没有收到某个数据段的ACK时，需要等待多长时间才能进行重传。

如何合理设置RTO是超时重传的关键：

  • 如果RTO过大，降低网络吞吐量，增加延迟；
  • 如果RTO过小，会造成不必要的重传；

因为网络是动态变化的，RTT会动态变化，因此RTO时间也会动态变化。

RTO的计算

1.计算SRTT

TCP的RTT计算采用加权移动平均算法，这个方法能够平滑地反映网络延迟的波动。

  • 取样：当一个TCP段发送后，计时器开始。当收到对应的ACK后，计时器停止，得到一个SampleRTT（本次测量的RTT）

  • 平滑RTT（Smoothed RTT, SRTT）：这是对所有SampleRTT的加权平均，反映了平均网络延迟。计算如下：

    \[SRTT=(1−α)⋅SRTT+α⋅SampleRTT\]

    其中，α是一个平滑因子，通常取值为 1/8（即0.125）。这意味着新的SampleRTT对SRTT的影响较小，使得SRTT更加稳定。

2.计算RTT偏差

RTT偏差（RTT Variation, RTTVAR）用来衡量SampleRTT与SRTT之间的差异，反映了网络延迟的波动程度。 计算如下：

\[RTTVAR=(1−β)⋅RTTVAR+β⋅|SampleRTT−SRTT|\]

其中，β通常取值为1/4（即0.25）。这使得RTTVAR对新的SampleRTT变化较为敏感。

3.计算RTO

RTO基于SRTT和RTTVAR来动态调整，确保在网络状况变化时能够适应。计算如下：

\[RTO=SRTT+max(G, K⋅RTTVAR)\]

其中：

  • G是一个小的常数（通常为1秒），用于防止RTO过小；
  • K通常取值为4。

这个公式的含义是：RTO等于平均往返时间SRTT加上4倍的RTTVAR，以此来覆盖大部分的网络延迟波动，减少不必要的重传。

Karn算法

重传二义性

如果在一个报文段中的数据被一次性地成功传输和确认，那么发送端可以准确得到该报文段传输的SampleRTT。

但若出现了重传，情况就会变得很复杂。例如，一个包发送后出现超时，该数据包会进行重传。当收到这个包的ACK后，发送方无法区分这个ACK是对第一次还是第二次传输的确认。因为这两个报文段产生的确认信息是完全相同的，确认信息既可能是针对原始报文段的，也可能是对重传报文段的确认。

确认的二义性将导致TCP无法准确地估算RTT。

Karn算法

为了解决这个问题，Karn算法提出了一条简单的原则：

  • 任何由重传产生的数据包，其SampleRTT都不能被用于计算SRTT和RTTVAR。

Karn算法认为，只有非重传的数据包所返回的ACK才能作为RTT采样的有效数据。

RTO的指数退避

重传通常表明网络状况不佳，很可能是由网络拥塞引起，如果发送端持续重传，则会使得拥塞越来越严重。

因此，Karn算法建议在每次重传后，RTO应进行指数退避（Exponential Backoff）处理：

  • 当一个数据包被重传时，Karn算法建议将RTO翻倍。

通过增加RTO，Karn算法为网络提供了更多的恢复时间，减少了进一步拥塞的风险。

Karn算法的改进

Karn算法解决了重传歧义问题，但它也有一个明显的缺陷：

  1. 当网络出现持续拥塞时，RTO会因为指数退避而不断增大。
  2. 由于没有新的RTT样本，SRTT和RTTVAR无法得到更新。这可能导致RTO变得过大。
  3. 即使网络拥塞已经缓解，RTO也无法快速适应，从而降低了TCP的吞吐量。

为了弥补Karn算法的不足，TCP引入了Timestamps选项。当启用该选项时，发送方会在每个TCP段中包含一个时间戳。接收方在返回的ACK中也会携带这个时间戳。这样，发送方就可以通过对比时间戳来准确地计算出RTT，即使数据包发生了重传，也能判断出这个ACK是对应于哪一次发送的。

现代TCP协议通常都支持并使用时间戳来更精确地计算RTT和RTO。