TCP 可靠传输与序号机制

考情分析

TCP 可靠传输机制是 408 的核心考点。选择题常考序号/确认号的计算、超时重传的触发条件；大题可能结合滑动窗口和拥塞控制一起考。SACK 偶尔在选择题中出现。

考频：★★★★

TCP 实现可靠传输的手段

IP 层提供的是不可靠的服务——数据可能丢失、乱序、出错、重复。TCP 在这个基础上通过以下机制实现可靠传输：

1. 字节编号与确认：每个字节都有编号，接收方通过确认号告知发送方哪些数据已收到
2. 超时重传：发送方在一定时间内未收到确认，自动重传
3. 校验和：检测传输过程中的比特差错
4. 滑动窗口：控制发送速率，配合流量控制和拥塞控制

字节流编号

TCP 把要发送的数据看作一个字节流，每个字节都有一个编号。报文段首部的序号字段（seq）存放的是该报文段数据部分第一个字节的编号。

举例：假设初始序号 seq=1，第一个报文段携带 100 字节（字节 1~100），则：

• 第一个报文段：seq=1
• 第二个报文段：seq=101
• 第三个报文段：seq=201

序号空间是 $0\sim 2^{32}-1$（约 42.9 亿），用完后回绕到 0 重新开始。按照千兆以太网的速率，大约 34 秒就能用完一轮，所以高速网络中会使用时间戳选项来区分新旧序号。

确认号的含义

确认号 ack 表示期望收到的下一个字节的编号。也就是说，确认号之前的所有字节都已正确收到。

这是一种累积确认（Cumulative Acknowledgment）机制：如果接收方发送 ack=501，意味着字节 1~500 全部收到了。即使中间有些确认丢失了，只要最后一个确认到达发送方，发送方就知道前面的数据都收到了。

累积确认的优点是简单、容错性好；缺点是不够精确——如果字节 1~500 和 601~700 都收到了，但 501~600 丢失，接收方只能发送 ack=501，发送方不知道 601~700 已经收到了。

超时重传

发送方每发送一个报文段，就启动一个重传计时器。如果在计时器超时之前收到了确认，就撤销计时器；如果超时仍未收到确认，就重传该报文段。

超时重传时间（RTO）的设定

RTO 的设定是一个关键问题：

• 设得太短：可能导致不必要的重传（数据还在路上，ACK 还没回来就重传了）
• 设得太长：丢包后等待时间过久，影响传输效率

TCP 使用自适应算法来计算 RTO，基于对 RTT（往返时间）的测量。

加权平均 RTT 的计算：

$${\text{RTT}}_s=(1-\alpha )\times {\text{RTT}}_s+\alpha \times {\text{RTT}}_{sample}$$

其中 $\alpha$ 的推荐值为 $1/8$。${\text{RTT}}_s$ 是平滑后的 RTT 估计值，${\text{RTT}}_{sample}$ 是最新一次测量的 RTT。

RTT 偏差的计算：

$${\text{RTT}}_D=(1-\beta )\times {\text{RTT}}_D+\beta \times |{\text{RTT}}_{sample}-{\text{RTT}}_s|$$

其中 $\beta$ 的推荐值为 $1/4$。

RTO 的计算：

$$\text{RTO}={\text{RTT}}_s+4\times {\text{RTT}}_D$$

Karn 算法

有一个问题：如果报文段被重传了，收到的 ACK 到底是对原始报文段的确认还是对重传报文段的确认？无法区分。

Karn 算法的处理方式：对于重传的报文段，不采用其 RTT 样本来更新 RTT 估计值。同时，每次重传时将 RTO 翻倍（指数退避），直到收到未经重传的报文段的确认后，才恢复正常的 RTO 计算。

选择确认 SACK

累积确认有一个问题：接收方收到了不连续的数据块时，发送方不知道哪些已经收到了，可能会重传已经收到的数据。

SACK（Selective Acknowledgment，选择确认）通过 TCP 首部的选项字段，让接收方告知发送方哪些数据块已经收到了，从而让发送方只重传真正丢失的部分。

SACK 选项中列出接收方已收到的不连续的数据块边界。每个数据块用一对 32 位的序号表示（左边界和右边界），每对占 8 字节。由于 TCP 选项总长度最多 40 字节，刨去 2 字节的 SACK 选项头，最多能报告 $(40-2)/8=4$ 个数据块。

示例：接收方收到了字节 1~500 和 601~800，缺少 501~600。

• 累积确认：ack=501
• SACK 附加信息：已收到 [601, 801)

发送方收到这个信息后，只需要重传 501~600，而不是 501~800。

TCP 的滑动窗口

TCP 的滑动窗口和数据链路层的滑动窗口原理类似，但有几个关键区别：

对比项	数据链路层	TCP
窗口单位	帧	字节
窗口大小	固定	动态调整（受 rwnd 和 cwnd 约束）
确认方式	逐帧确认或累积确认	累积确认（+ 可选 SACK）
编号空间	较小（如 3 位 = 0~7）	32 位（$0\sim 2^{32}-1$）

TCP 发送方窗口结构

发送方维护的数据可以分为四个区域：

已确认 | 已发送未确认 | 可以发送 | 不能发送
       ← 发送窗口 →

• 已确认：ack 之前的字节，已被确认
• 已发送未确认：在发送窗口内，已发出但还没收到 ACK
• 可以发送：在发送窗口内，但还没发出
• 不能发送：发送窗口之外，需要窗口向右滑动后才能发送

发送窗口的大小：

$$\text{发送窗口}=min(\text{cwnd},\text{rwnd})$$

每收到一个确认，窗口的左边界向右移动（已确认的数据移出窗口），窗口可能会向右扩展。

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易错点

1. 确认号是"期望收到的下一个"，不是"已收到的最后一个"

收到了字节 1~500，确认号是 501 而不是 500。这个差一的问题经常出错。

2. 超时重传不意味着数据一定丢了

可能只是 ACK 丢了，或者 RTT 波动导致 RTO 设得太短。重传后，接收方可能会收到重复的数据，TCP 通过序号来丢弃重复数据。

3. 累积确认可能导致不必要的重传

如果报文段 1、2、3 中的 2 丢失了，接收方即使收到了 3，也只能发送 ack= 报文段 2 的起始序号。发送方可能会重传 2 和 3，尽管 3 已经收到了（如果不支持 SACK）。

4. 滑动窗口的大小不是固定的

TCP 的滑动窗口会根据流量控制（rwnd）和拥塞控制（cwnd）动态调整，不像某些数据链路层协议的窗口是固定的。

高频考点清单

• 序号 = 报文段数据部分第一个字节的编号
• 确认号 = 期望收到的下一个字节的编号（累积确认）
• 超时重传时间 RTO 的计算公式：$\text{RTO}={\text{RTT}}_s+4\times {\text{RTT}}_D$
• SACK 的作用和最多能报告 4 个不连续数据块
• TCP 滑动窗口与数据链路层滑动窗口的区别
• 发送窗口 = min(cwnd, rwnd)

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