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lwip的tcp超时重传实现原理

发布于 2021-08-10 15:04:50 浏览：3389 订阅该版

[tocm]

# 一、概述
tcp是一种面向连接的可靠的运输层协议，在TCP/IP协议族里，同属于该层的协议是UDP，如下图的TCP/IP分层模型所示。（该图来自TCP-IP详解卷1：协议）。之所以能够为应用层提供可靠的传输，是因为协议中采用了多种策略：超时重传，拥塞避免，保活机制，糊涂窗口等。而本篇文章重点是分析其中的超时重传的原理。
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# 二、tcp超时重传
tcp为了保证两端的主机能够传输正确的数据，采用了超时重传和正面确认的策略，tcp数据交互如下图）（节选自https://zhuanlan.zhihu.com/p/142665708），该图描述了一次数据传输经历的建立连接、数据交互、断开连接的过程。
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tcp传输是全双工的，客户端和服务端独立的进行传输，所以各有一套独立的序列号，每次发送报文段后都会启动一个超时传输定时器，如果在超时后没有收到确认报文段，则会进行重发，错误可能发生在发送数据上，也可能发生在确认报文段上。如下图（选自https://www.cnblogs.com/-wenli/p/13080675.html）。在出现如下图中的两种数据发送失败的情况下，TCP会重传该报文段。
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本章小结：tcp在发起一次传输时会开启一个定时器，如果在定时器超时时未收到应答就会进行重传。
# 三、往返时间测量和估计
上一章讲述了TCP超时重传的原理，这一章介绍超时时间估计RTO怎么确定，如下图描述了RTO选大或选小的弊端（该图选自https://www.cnblogs.com/-wenli/p/13080675.html），如果RTO较大，由于等待时间过长会影响TCP的效率；较小则可能使系统来不及响应而认为数据传输失败而重传。所以RTO是随着网络的状态动态调整的，而网络状态可以通过测量报文段的往返时间来反应。
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jacobson的RTO估计算法：
```
Err = M-A 
A = A+g*Err
D = D+h*(|Err|-D)
RTO = A+4*D
M:某次测量的RTT值  A:RTT平均值 D：RTT方差 g：常数，一般取1/8 h：常数，一般取1/4
```
从jacobson的RTT平滑算法可以知道，RTO估计是基于RTT的均值和方差来计算的，是一种可以平滑较大变化的计算方法。

# 四、lwip源码分析
## 4.1 RTO估计
```c
/*  RTT估计计算。这是通过传入的确认报文段来得到的报文段的往返时间。*/
if (pcb->rttest && TCP_SEQ_LT(pcb->rtseq, ackno)) {
  /* diff between this shouldn't exceed 32K since this are tcp timer ticks
     and a round-trip shouldn't be that long... */
  m = (s16_t)(tcp_ticks - pcb->rttest);

LWIP_DEBUGF(TCP_RTO_DEBUG, ("tcp_receive: experienced rtt %"U16_F" ticks (%"U16_F" msec).\n",
                              m, (u16_t)(m * TCP_SLOW_INTERVAL)));

/* This is taken directly from VJs original code in his paper */
  m = (s16_t)(m - (pcb->sa >> 3));
  pcb->sa = (s16_t)(pcb->sa + m);
  if (m < 0) {
    m = (s16_t) - m;
  }
  m = (s16_t)(m - (pcb->sv >> 2));
  pcb->sv = (s16_t)(pcb->sv + m);
  pcb->rto = (s16_t)((pcb->sa >> 3) + pcb->sv);

LWIP_DEBUGF(TCP_RTO_DEBUG, ("tcp_receive: RTO %"U16_F" (%"U16_F" milliseconds)\n",
                              pcb->rto, (u16_t)(pcb->rto * TCP_SLOW_INTERVAL)));

pcb->rttest = 0;
}
```
在输出一个报文段使，将全局变量时钟滴答tcp_ticks赋值给tcp控制块的rttest字段表示RTT测量开始的时间，如下图中选自tcp_out.c的tcp_output_segment的源码，源码在估算RTO时首先用当前的tcp_ticks - pcb->rttest表示RTT的测量值m，然后基于jacobson算法计算rto的值。
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## 4.2 超时重传
超时重传是在tcp_slowtmr()函数里完成的，内核会每500ms执行一次该函数，在函数中判断pcb->rtime是否大于pcb->rto来判断是否超时，如果超时则执行tcp_rexmit_rto_commit()函数来重传报文段。
```c
if (pcb->rtime >= pcb->rto) {
  /* Time for a retransmission. */
  LWIP_DEBUGF(TCP_RTO_DEBUG, ("tcp_slowtmr: rtime %"S16_F
                              " pcb->rto %"S16_F"\n",
                              pcb->rtime, pcb->rto));
  /* If prepare phase fails but we have unsent data but no unacked data,
     still execute the backoff calculations below, as this means we somehow
     failed to send segment. */
  if ((tcp_rexmit_rto_prepare(pcb) == ERR_OK) || ((pcb->unacked == NULL) && (pcb->unsent != NULL))) {
    /* Double retransmission time-out unless we are trying to
     * connect to somebody (i.e., we are in SYN_SENT). */
    if (pcb->state != SYN_SENT) {
      u8_t backoff_idx = LWIP_MIN(pcb->nrtx, sizeof(tcp_backoff) - 1);
      int calc_rto = ((pcb->sa >> 3) + pcb->sv) << tcp_backoff[backoff_idx];
      pcb->rto = (s16_t)LWIP_MIN(calc_rto, 0x7FFF);
    }

/* Reset the retransmission timer. */
    pcb->rtime = 0;

/* Reduce congestion window and ssthresh. */
    eff_wnd = LWIP_MIN(pcb->cwnd, pcb->snd_wnd);
    pcb->ssthresh = eff_wnd >> 1;
    if (pcb->ssthresh < (tcpwnd_size_t)(pcb->mss << 1)) {
      pcb->ssthresh = (tcpwnd_size_t)(pcb->mss << 1);
    }
    pcb->cwnd = pcb->mss;
    LWIP_DEBUGF(TCP_CWND_DEBUG, ("tcp_slowtmr: cwnd %"TCPWNDSIZE_F
                                 " ssthresh %"TCPWNDSIZE_F"\n",
                                 pcb->cwnd, pcb->ssthresh));
    pcb->bytes_acked = 0;

/* The following needs to be called AFTER cwnd is set to one
       mss - STJ */
    tcp_rexmit_rto_commit(pcb);
  }
}
```