libjingle源碼解析(6)-【PseudoTcp】建立UDP之上的TCP(4)：逾時與重傳

逾時與重傳

    TCP是連線導向的可靠的運輸層。當資料丟失時，TCP需要重傳包。TCP通過設定定時器解決這種問題。

    對每個串連，TCP有4個不同的定時器：

        1）重傳定時器：用於當希望收到另一端的確認，而沒有收到時。

        2）堅持定時器：使視窗大小資訊保持不斷流動。

        3）保活定時器：可檢測空閑串連另一端何時崩潰或重啟。

        4）2MSL定時器：測量TIME_WAIT狀態的時間。

    PTCP本身是沒有提供定時器的，而通過方法GetNextClock讓調用者擷取下一個定時器觸發的時機，當定時器觸發下一個逾時時，需要調用方法NotifyClock。

逾時時間設定

    TCP設定獲得確認ACK包的逾時時間設定序列可能為1.5S，3S，6S，12S，24S，48S，64S，當逾時期間多於9分鐘時，TCP會被複位（RST），即“指數退避”。

    那麼這個逾時值是怎麼計算呢？

    如果能很好的估計RTT話，如果確認包在一個RTT之內沒有收到回報，那麼可以認為丟包發生。

    TCP最初的RTT估算方法為

        R = aR+(1-a)M

    其中平滑因子a取為90%，M表示這次測量的RTT，即這個包發送到擷取ACK的時間間隔。

    這個演算法通過平滑因子來避免R的值受新的M的浮動過大的影響。然而這恰恰在RTT浮動比較大的串連中無法及時的反應串連情況。並且網路處於飽和狀態時，頻繁重傳會導致火上燒油。Jacobson對此設計了新的演算法：

        Err = M - A

        A = A+g*Err

        D = D + h(|Err| -D)

        RTO = A + 4D

    增量g為0.125(1/8)，Err為上一個得到的值和新的RTT的差。A為上一個測到的增量後的資料，h為0.25。

當RTT變化大時，Err也會變大，導致D也會變大，導致RTO快速上升。某一次串連的估值和真正的RTT關係估下：

     PTCP實現如下：

     PTCP設定最大逾時時間為60S。當收到ACK時，計算RTT是通過PTCP頭部的TimeStamp差值計算，所以Karn演算法在此不管用。RTO的演算法和上面所述一致：

         1）Err = rtt - m_rx_srtt

         2）D=D+0.25*(abs(Err-D))

         3）m_rx_srtt = m_rx_srtt + err/8

         4）RTO = m_rx_srtt+D

     下面的代碼實現，有一定的不同，但仔細分析和上面演算法是一致的。

bool PseudoTcp::process(Segment& seg) {...... // Check if this is a valuable ack  if ((seg.ack > m_snd_una) && (seg.ack <= m_snd_nxt)) {    // Calculate round-trip time    if (seg.tsecr) {      long rtt = talk_base::TimeDiff(now, seg.tsecr);//計算RTT      if (rtt >= 0) {        if (m_rx_srtt == 0) {          m_rx_srtt = rtt;          m_rx_rttvar = rtt / 2;        } else {          m_rx_rttvar = (3 * m_rx_rttvar + abs(long(rtt - m_rx_srtt))) / 4;          m_rx_srtt = (7 * m_rx_srtt + rtt) / 8;        }        m_rx_rto = bound(MIN_RTO, m_rx_srtt +            talk_base::_max<uint32>(1, 4 * m_rx_rttvar), MAX_RTO);      } else {        ASSERT(false);      }    }......}

    當重傳後，仍然逾時時，PTCP也採用指數退避演算法。

擁塞避免演算法

    擁塞避免演算法通常和慢啟動演算法一起使用，主要是限制發送方的流量。慢啟動的目的是，不要過快的發送資料導致中間的路由器填滿緩衝，而擁塞避免演算法是當發現到網路被擁塞時限制發送方處理丟失分組的一種方法。

    擁塞避免演算法和慢啟動演算法同時在一個串連上維護兩個變數cwnd和ssthresh。

        1)對一個給定串連cwnd初始化為1。

        2)當擁塞發生時（逾時或者受到重複的第三個ack）時ssthreth取當前視窗的一半，如果逾時引起的擁塞，則cwnd取為1。

        3)當新的資料包受到確認時，如果cwnd<ssthreth則進行慢啟動演算法，否則cwnd在每個確認增加1/cwnd。

快速重傳與快速恢複演算法

     為什麼上面判斷擁塞時，獲得三個以上重複的ACK時，認為產生擁塞了呢？

     因為，當接收方收到失序的報文段時，立即發送需要收到的下一個報文段，然而發送方發送兩個以上報文時，因報文的路由不一樣，會產生短暫的失序，為了避免因此而產生的重傳，把擁塞判斷設定為3個以上。

     當收到三個以上重複報文段時，發送方認為此包被丟失，於是立即重傳丟失報文段，不會等到逾時定時器溢出。這就是快速重傳演算法。

     當發送方重傳後，會持續發送後面沒有發送的資料，而不啟動慢啟動，等待ACK，是因為發送方收到了連續的3個以上ACK說明，接收方收到了3個以上資料報文，並緩衝起來了。這就是快速恢複演算法，實現如下：

        1）當收到3個重複ACK時ssthreth設定為當前視窗的一半，並cwnd設定為ssthresh+3。

        2）每次收到另一個重複的ACK時，cwnd增加一個報文段並重傳。

        3）當下一個ACK到達時cwdn設定為ssthreth，即採用擁塞避免，速率減半。

    對於重傳PTCP有一點不同，就是上述第一步，當收到重複3個ACK時，ssthresh設定為還未確認的位元組數的一半。

bool PseudoTcp::process(Segment& seg) {......    if ((seg.ack > m_snd_una) && (seg.ack <= m_snd_nxt)) {//當收到合法的ACK時......    if (m_dup_acks >= 3) {//如果進行過重傳      if (m_snd_una >= m_recover) { // 時重傳後的資料確認        uint32 nInFlight = m_snd_nxt - m_snd_una;//未確認資料        m_cwnd = talk_base::_min(m_ssthresh, nInFlight + m_mss); // cwnd設定為ssthreth        m_dup_acks = 0;//重複ACK計數器清零      } else {        if (!transmit(m_slist.begin(), now)) {//慢啟動、繼續傳送          closedown(ECONNABORTED);          return false;        }        m_cwnd += m_mss - talk_base::_min(nAcked, m_cwnd);      }    } else {      m_dup_acks = 0;      // Slow start, congestion avoidance      if (m_cwnd < m_ssthresh) {//慢啟動        m_cwnd += m_mss;      } else {        m_cwnd += talk_base::_max<uint32>(1, m_mss * m_mss / m_cwnd);//擁塞避免，增加1/cwnd      }     }    }    else if (seg.ack == m_snd_una) {      // !?! Note, tcp says don't do this... but otherwise how does a closed window become open?      m_snd_wnd = static_cast<uint32>(seg.wnd) << m_swnd_scale;      // Check duplicate acks      if (seg.len > 0) {        // it's a dup ack, but with a data payload, so don't modify m_dup_acks      } else if (m_snd_una != m_snd_nxt) {        m_dup_acks += 1;        if (m_dup_acks == 3) { //當收到3個重複的ACK時進行快速重傳          if (!transmit(m_slist.begin(), now)) {            closedown(ECONNABORTED);            return false;          }          m_recover = m_snd_nxt;          uint32 nInFlight = m_snd_nxt - m_snd_una;          m_ssthresh = talk_base::_max(nInFlight / 2, 2 * m_mss);//ssthresh設定為2個MSS和cwnd的最小值          m_cwnd = m_ssthresh + 3 * m_mss;//cwnd設定為ssthresh加3        } else if (m_dup_acks > 3) {          m_cwnd += m_mss;//當收到發送重傳後的重複的ACK時，只增加一個MSS，即快速恢複演算法        }      } else {        m_dup_acks = 0;      }    }......}

重新分組

    當TCP逾時重傳時，可以允許以更大的且不大於MSS的報文發送，即合并後續的資料一起發送，PTCP也是如此處理的。