TCP/IP重传超时--RTO - SRTT (Smoothed Round Trip Time)

http://www.orczhou.com/index.php/2011/10/tcpip-protocol-start-rto/

概述：本文讨论主机在发送一个TCP数据包后，如果迟迟没有收到ACK，主机多久后会重传这个数据包。主机从发出数据包到第一次TCP重传开始，RFC中这段时间间隔称为retransmission timeout，缩写做RTO。本文会先看看RFC中如何定义RTO，然后看看Linux中如何实现。本文旨在分享：当遇到了TCP层问题改如何去查找、阅读文档，该如何去在Linux源码中寻求答案。

1. 起源

在分析MySQL Semi-sync故障时，我们用Tcpdump+Wireshark（感谢淘宝雕梁）抓住当时的网络包传送细节，观察到了一次TCP重传最终导致了Semi-sync超时：

第一次传输13:55:11.893291 master => slave Binlog pos:319890197重传：13:55:12.094596 master => slave Binlog pos:319890197

看到两次传送间隔约201毫秒，即第一次传输201毫秒后，还没有收到ACK响应，TCP认为传输超时，开始重传。

疑问：host和host之间的RTT大约是0.5毫秒，为什么第一次重传需要等200毫秒？（我希望是<20ms）socket程序可以配置吗RTO吗？TCP有参数可配置RTO吗？

2. Google/书籍/RFC

翻开TCP/IP详解找到关于TCP Retransmission章节，较详细的介绍TCP的超时机制，书中是个概述，于是又找到RFC1122。

RFC1122的4.2.2.15和4.2.3.1都介绍了Retransmission Timeout的处理（说来惭愧，这是第一次阅读TCP相关RFC）。

在RFC中搜索Retransmission发现RFC 793 1122 2988 6298都有对重传算法、和初次重传超时的描述。于是开始阅读这个四个RFC，耗时约2小时，了解了大致的重传超时算法。

3. RFC中如何计算RTO(Retransmission Timeout)

3.1 RFC-793如何计算RTO

概述：先根据该socket的RTT计算出SRTT（Smoothed Round Trip Time），然后根据一个最大、最小超时时间确定当前RTO。说明：srtt可以理解为“平滑化”的RTT，即在保持计算简单的情况尽量考虑历史RTT。

详细计算：SRTT = ( ALPHA * SRTT ) + ((1-ALPHA) * RTT)

基于SRTT，我们再来计算RTO：RTO = min[UBOUND,max[LBOUND,(BETA*SRTT)]]

UBOUND是RTO上线，ALPHA是平滑因子（smoothing factor， e.g., .8 to .9），BETA是一个延迟方差因子（BETA is a delay variance factor (e.g., 1.3 to 2.0)）。

仔细看这两个公式大概就能理解了RTO的计算了。

这里对上面两个公式做一个简单的注释：公式1中计算SRTT，ALPHA越接近于0，则表示SRTT越相信这一次的RTT；越接近于1，则表示SRTT越相信上次统计的RTT。公式二给RTO分别设置了一个上限和下限。

3.2 RTO重传间隔是指数增加的

上面我们介绍的是初次重传时的RTO，如果重传后还没收到另一端的响应，下一次重传RTO则会指数增加，例如第一次重传RTO是1，之后分别2，4，8，16...。

3.3 RFC-2988和RFC-6298中的RTO计算

在RFC-2988和RFC-6298中又重新改进了RTO的计算方法，Linux中的实现即使参考RFC-2988。算法核心公式：

初始：SRTT <- RRTTVAR <- R/2RTO <- SRTT + max (G, K*RTTVAR)where K = 4.根据RTT计算SRTT：RTTVAR <- (1 - beta) * RTTVAR + beta * |SRTT - R'|SRTT <- (1 - alpha) * SRTT + alpha * R' 最后RTO：RTO <- SRTT + max (G, K*RTTVAR)

4. Linux中的RTO(Retransmission Timeout)

这里说的是RHEL5.4的2.6.18内核，RFC-2988实现参考net/ipv4/tcp_input.c中的tcp_rtt_estimator和tcp_set_rto。可以看到，在Linux中alpha=1/8，RTO最小为TCP_RTO_MIN。因为我们的系统中RTT总是很小，所以RTO取值总是能够取到TCP_RTO_MIN。

在看看TCP_RTO_MIN在Linux中的定义：

123#define TCP_RTO_MAX ((unsigned)(120*HZ))124#define TCP_RTO_MIN ((unsigned)(HZ/5))

(这里简单的介绍介绍一下HZ，HZ可以理解为1s，所以120*HZ就是120秒，HZ/5就是200ms。详细的：HZ表示CPU一秒种发出多少次时间中断--IRQ-0，Linux中通常用HZ来做时间片的计算，参考)

5. 其他：Linux中可配置重传参数

/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1 (integer; default: 3)

TCP尝试了3次（tcp_retries1默认3）重传后，还没有收到ACK的话，则后续每次重传都需要network layer先更新路由。

/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2 (integer; default: 15)

TCP默认最多做15次重传。根据RTO(retransmission timeout)不同，最后一次重传间隔大概是13到30分钟左右。如果15次重传都做完了，TCP/IP就会告诉应用层说：“搞不定了，包怎么都传不过去！”

6. 最后

回答前面的问题：即使RTT很小（0.8ms），但是因为RTO有下限，最小必须是200ms，所以这是RTT再小也白搭；RTO最小值是内核编译是决定的，socket程序中无法修改，Linux TCP也没有任何参数可以改变这个值。

参考文献

1. RFC 1122 ... (在哪儿查找RFC) TCP协议相关的RFC：
RFC 675 - Specification of Internet Transmission Control Program, December 1974 Version
RFC 793 - TCP v4
RFC 1122 - includes some error corrections for TCP
RFC 1323 - TCP-Extensions
RFC 1379 - Extending TCP for Transactions—Concepts
RFC 1948 - Defending Against Sequence Number Attacks
RFC 2018 - TCP Selective Acknowledgment Options
RFC 2988 - Computing TCP's Retransmission Timer
RFC 4614 - A Roadmap for TCP Specification Documents
RFC 5681 - TCP Congestion Control

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