TCP中的RTT和RTO

一、RTT和RTO的概念

TCP作为一个面向连接的、可靠的传输协议，内部实现了一个重传计时器来保证数据能传输到对方。每发送一个数据包，就给这个数据设置一个重传计时器。如果在计时器超时之前收到了针对这个数据包的ack，就取消这个计时器。如果没有收到，则开始发起重传。计时器超时的时间被称为RTO，这个时间的确定取决于RTT。

关于两者详细的解释：

RTT(Round Trip Time)：一个连接的往返时间，即数据发送时刻到接收到确认的时刻的差值；
RTO(Retransmission Time Out)：重传超时时间，即从数据发送时刻算起，超过这个时间便执行重传。

关于RTT和RTO值的确定一直以来都是值得讨论的地方，如何让RTO能适应网络变化。

二、RTT的测量

每发送一个分组，TCP都会进行RTT采样，这个采样并不会每一个数据包都采样，同一时刻发送的数据包中，只会针对一个数据包采样，这个采样数据被记为sampleRTT，用它来代表所有的RTT。

采样的方法一般有两种：

TCP Timestamp选项：在TCP选项中添加时间戳选项，发送数据包的时候记录下时间，收到数据包的时候计算当前时间和时间戳的差值就能得到RTT。这个方法简单并且准确，但是需要发送段和接收端都支持这个选项。
重传队列中数据包的TCP控制块：每个数据包第一次发送出去后都会放到重传队列中，数据包中的TCP控制块包含着一个变量，tcp_skb_cb->when，记录了该数据包的第一次发送时间。如果没有时间戳选项，那么RTT就等于当前时间和when的差值。

linux内核中，更新rtt的函数为tcp_ack_update_rtt：

三、RTO的计算

3.1 经典方法

为了避免单次RTT波动，计算RTO时新引入了变量SRTT，表示更加平滑的RTT数值，它的计算方法：

1	SRTT = x(SRTT) + (1 - x)RTT;

x被称为平滑因子，一般建议设置在[0.8, 0.9]，意思是SRTT值百分之八十来自于之前的值，百分之二十来自于当前值。然后计算RTO的方法为：

1	RTO = min(ubound, max(lbound, y(SRTT)));

y是时延离散因子，推荐值为[1.3, 2.0]，ubound是RTO的上边界，lbound是RTO的下边界。

算法的缺点

在RTT波动较大时，RTO不能明显适应网络变化。

3.2 标准方法

标准方法引入了平均偏差的概念，它类似于统计学里面的方差，但是因为方差的计算过程代价较大，对于快速TCP来说不太适合。假设rtt的值为M，RTO的计算方式为：

srtt = (1 - g)srtt + g(M);

rttval = (1 - h)rttval + h(|M - rttval|);

RTO = srtt + 4(rttval);

其中g设置为1/8，h设置为1/4，对srtt而言，它有1/8取决于当前值，7/8取决于现有值。当RTT变化时，偏差增量越大，RTO的增量也越大。

关于计算RTT和RTO的算法，还有很多种，历史上针对这个的探讨从未停止过。

比较出名的拥塞算法还有谷歌的bbr算法，高版本的linux内核已经合入了bbr算法作为拥塞控制算法。

四、其他

4.1 TCP Timestamps选项

时间戳选项的作用是为了方便计算RTT，每发出一个数据包，就记录下发送时间，收到数据包时就能准确的获知到数据包往返时间了。

通过TCPDUMP抓包很容易就能看到Timestamps选项：