kp-019 TCP 可靠传输：确认、重传与滑动窗口

注：本文基于模型知识整理，建议结合权威教材与 RFC 原文核对细节。

一句话定义

TCP 用「字节序号 + 累积确认 + 超时与快速重传 + 滑动窗口」的组合，在不可靠的 IP 之上实现不丢、不重、不乱序、最终有序的字节流交付。

为什么重要

可靠是 TCP 存在的理由，而确认与重传策略直接决定吞吐与时延：同一次丢包，走超时路径要等一个可能达秒级且指数退避的 RTO，走快速重传路径通常一个 RTT 内解决。理解滑动窗口与 RTO 估算，是解释跨洋传输慢、弱网卡顿等现象的钥匙，也是拥塞控制（kp-020）与内核调优（kp-021）的地基。

前置知识

建议先读 kp-018《TCP 连接管理：三次握手与四次挥手》，掌握序号、确认号与连接状态语义；文中涉及拥塞窗口之处参考 kp-020，无需预先精通。

核心概念

字节序号：TCP 的序号以字节为单位，报文段的 seq 是其所载第一个字节的编号。这一点与教材通用模型「按报文段编号」不同，读抓包时必须按字节换算。
累积确认（cumulative acknowledgment）：确认号 = 期望收到的下一个字节，语义为「此前所有字节均已收妥」。收到失序（out-of-order）数据先缓存，并重复发送当前最高连续点的确认。
冗余 ACK（duplicate ACK）：同一确认号被重复收到；对发送方而言，连续多个冗余 ACK 通常意味着其后某段丢失。
回退 N（Go-Back-N）与选择重传（Selective Repeat, SR）：两种流水线策略。前者丢一段重传一串、接收端只需记一个期望序号；后者只补缺失、需按序号缓存乱序数据。TCP 以累积确认打底、行为偏向回退 N，再用 SACK（Selective Acknowledgment，RFC 2018 定义的选项）补上「已收到但未连续」的信息，只重传真正缺失的段。

公式与模型

RTO（Retransmission TimeOut，重传超时）按 RFC 6298 估计。每次取得 RTT 样本后更新：

SRTT = (1 − α)·SRTT + α·RTT，α = 1/8
RTTVAR = (1 − β)·RTTVAR + β·|SRTT − RTT|，β = 1/4
RTO = SRTT + 4·RTTVAR

其中 SRTT 为平滑往返时间，RTTVAR 为平滑往返偏差。Karn 算法：被重传的报文段不作为 RTT 样本——其 ACK 无法区分对应原始发送还是重传，计入会污染估计；发生重传时 RTO 指数退避加倍。

图示

发送窗口四分区（SendBase：已确认的最高字节号；NextSeq：下一个待发字节）

| 已发送且已确认 | 已发送未确认 | 可立即发送 | 不可发送 |
<-------------><------------><----------><--------->
               ^            ^           ^
           SendBase    NextSeq-1    窗口右边界（受 rwnd 与 cwnd 限制）

滑动：ACK 到达 → SendBase 右移 → 窗口整体右滑 → 新数据获得发送资格

原理与机制

从停等（stop-and-wait）协议讲起：发一段、停下、等确认再发下一段，利用率 ≈ 传输时间 ÷（传输时间 + 2×传播时延），在长肥链路上趋近于零。出路是流水线化：不等确认连续发送多个报文段，代价是必须用窗口限制在途数据量，并选好重传策略——回退 N 机制简单但重传整串浪费带宽，选择重传省带宽却要更多缓存与状态。TCP 的现实选择是累积确认打底（偏向回退 N 行为），加 SACK 选项逼近选择重传。

两条重传路径。超时路径：RTO 到期仍无确认则重传该段，RTO 指数退避，重传段不采样 RTT（Karn 算法）。快速重传路径：连续收到 3 个冗余 ACK 立即重传缺失段，不等超时；阈值取 3 是为了过滤乱序重排造成的少量冗余 ACK 噪声。两条路径的搭配逻辑：超时往往意味着网络严重拥塞，处理须保守；冗余 ACK 说明 ACK 仍在正常返回、网络还通着，重传可以更激进，并由此衔接 kp-020 的快速恢复。

实例分析

设 RTT = 200ms 的链路，第 5 号报文段丢失，其后 4 个段陆续到达接收端：接收端把它们全部缓存进失序队列，对每一段都重复确认第 5 号；发送方收到第 3 个冗余 ACK 即触发快速重传，若开启 SACK 可精确得知缺失的仅第 5 号，只补这一段，全程约一个 RTT 完成。对比超时路径：要等 RTO 到期（估计值叠加指数退避，可达秒级量级），且无 SACK 时可能重传第 5 号之后的整串——同一丢包，两条路径的代价差出一个数量级。

常见误区

一，「确认号表示已收到多少字节」：它是期望的下一个字节号，累积语义，不能当作字节数直接使用。二，「乱序报文会被丢弃」：接收端缓存乱序数据并重复当前累积确认，不丢数据。三，「SACK 是独立协议」：它只是 TCP 首部里的选项字段，需双方协商开启，现代内核默认支持。四，「RTO 越小越好」：过小导致大量过早重传、浪费带宽并触发退避；RTO 的本质是在「重传太快」与「等待太久」之间做统计权衡。

自测题

确认号 10001 精确意味着什么？

答案要点： 字节 10000 及之前的全部数据已按序收妥，期望对方从 10001 开始发送；是累积确认，不代表恰好收到了多少字节。

快速重传为什么阈值是 3 个冗余 ACK 而不是 1 个？

答案要点： 乱序重排也会产生零星重复 ACK；连续 3 个才能区分重排噪声与真实丢包，在误报与及时性之间折中。

Karn 算法解决什么问题、规则是什么？

答案要点： 重传段的 ACK 无法对应到原始发送还是重传，采样会污染 RTT 估计；规则是重传段不采样，且重传时 RTO 指数退避。

回退 N 与选择重传的核心取舍是什么？TCP 如何取舍？

答案要点： 前者接收端只需一个期望序号、缓存小，但丢一段重传一串；后者只补缺但要按序号缓存乱序数据。TCP 用累积确认打底偏向前者，SACK 选项补上已收信息逼近后者。

停等协议在长肥链路上的效率问题说明了什么？

答案要点： 利用率 ≈ 传输时间 ÷（传输时间 + 2×RTT），RTT 远大于传输时间时利用率趋零；说明可靠协议必须流水线化并以窗口控制在途量，吞吐 ≈ 窗口/RTT。