Early Retransmit for TCP原理以及实现

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Early Retransmit for TCP(ER)是google为了解决快重传的一些局限，从而对快重传(fast retransmit)做出的一些改变，其中ER在linux kernel 3.5进入了内核,他的paper在这里：

http://tools.ietf.org/html/rfc5827

首先我们要知道快重传算法的弱点很多，比如如果发送端接收不到足够数量(一般来说是3个)的ack，那么快重传算法就无法起作用，这个时候就只能等待RTO超时。ER主要就是为了解决这个问题的。在下面的条件下，就会导致收不到足够的ack。

• 拥塞窗口比较小
• 窗口中一个很大的段丢失或者在传输的结尾处发生了丢包

如果满足了上面的两个条件，那么就会发生发送端由于接收不到足够数量的ack，导致快重传算法无法生效。举个例子，比如拥塞窗口是3，然后第一个段丢失了，那么理论上最多发送段只可能收到2个重复的(duplicate)ack,此时由于快重传要求3个重复的ack，那么发送端将会等待RTO超时，然后重传第一个段.

在上面的第二个条件中，有两种可能性，其中ER是为了解决第一种可能性(也就是当一个比较大的段丢失),而第二种情况则需要TLP来解决(TLP应该会合并进下个版本的内核，我后续也会分析TLP).

下面是我对ER做的一些摘要笔记：

• 在linux下early retransit 和thin dupack是互斥的。
• early retransmit也就是会在小窗口下(flight count 小于4),减小快重传的数量，比如减小到1或者2。而在linux的实现里面，会人为的加上一个延迟，为了防止假超时。
• ER打开的条件有两个，第一个是outstand的数据很小，第二个是前一个未发送的数据不能被发送
• 由于early retransmit必须很小心，因此必须通过sack来猜测中间的一个段已经丢失才会启动early retransmit，比如有3个 in flight的段，那么sack必须有2个段，也就是这样才会启动early retrainsmit.
• 快重传也只是每次新的数据发送过来之后才会激活，因此最少窗口要有4个段。
• 当接收端收到一个outstand的数据的话，必须立即发送一个重复的ack，这个就是为了快重传(rfc2581/5681)
  一般来说是通过sack来判断快重传(sack_outs),也就是说每次快重传的ack(重复ack)都会带sack.

接下来来描述一下ER的算法，ER可以基于两种模式，一种是基于字节的，一种是基于段(segment-based)的，两种算法基本差不多，我这里主要描述基于段的，因为linux kernel中实现的就是基于段的。

当一个ack到来后，发送端启动early retransmit(ER)只有满足下面两个条件。

• outstanding段的个数(oseg),小于4.
• 要么没有未发送的数据，要么advertised 接受窗口不允许新的段被发送.

当上面的两个条件满足并且当前tcp链接不提供sack，那么duplicate ack threshold(快重传的ack个数阈值),必须被减少为 ER_thresh=oseg – 1.

当上面的两个条件满足，并且当前tcp连接支持sack，那么只有当(oseg-1)个数的段已经被sacked时，ER才会被使用。

ER的优点我们都知道了，接下来来看看ER的缺点，或者说可能会引起的问题。当应用层(application)不是连续的发送数据的时候，ER会导致很多不必要的重传。举个例子，假设一个application发送两个段的数据，然后紧跟着一段idle期。那么此时如果网络reorder这两个段，那么发送者将会发送没必要的一个段(ER的重传).如果application持续的这样发送数据，那么将会有1/3的段是没必要发送的。

接下来来看对应的linux kernel实现，我这里内核版本是3.7.

首先内核增加了一个sysctl的选项tcp_early_retrans，这个选项用来开关ER，这个选项默认值是2，也就是打开ER，并且打开delay定时器。

tcp_early_retrans – INTEGER
Enable Early Retransmit (ER), per RFC 5827. ER lowers the threshold
for triggering fast retransmit when the amount of outstanding data is
small and when no previously unsent data can be transmitted (such
that limited transmit could be used).
Possible values:
0 disables ER
1 enables ER
2 enables ER but delays fast recovery and fast retransmit
by a fourth of RTT. This mitigates connection falsely
recovers when network has a small degree of reordering
(less than 3 packets).
Default: 2

首先来看ER的初始化函数，当每一个socket建立的时候，都会调用tcp_enable_early_retrans来设置对应的ER选项值，这里主要是两个值，一个是do_early_retrans，表示是否打开ER，一个是early_retrans_delayed，表示delay是否已经打开。

static inline void tcp_enable_early_retrans( struct tcp_sock *tp)
{
    tp->do_early_retrans = sysctl_tcp_early_retrans &&
        !sysctl_tcp_thin_dupack && sysctl_tcp_reordering == 3;
    tp->early_retrans_delayed = 0;
}

通过上面的代码我们可以看到ER打开的三个条件分别是

• 首先sysctl的选项必须打开
• 第二thin dupack必须关闭
• 第三tcp_reordering必须为3

然后我们来看tcp_time_to_recover这个函数中ER的相关部分。tcp_time_to_recover如果返回true则我们可能会进入快重传，否则将会继续保持open状态.

if (tp->do_early_retrans && !tp->retrans_out && tp->sacked_out &&
    (tp->packets_out == (tp->sacked_out + 1) && tp->packets_out < 4) &&
    !tcp_may_send_now(sk))
    return !tcp_pause_early_retransmit(sk, flag);

上面的代码很好理解(上一篇blog分析过)，因为判断条件基本和paper描述一致，其中下面这个条件说明，如果收到oseg -1 个dup ack，就会进入ER处理。因为packets_out就表示oseg的段的个数。

tp->packets_out == (tp->sacked_out + 1) && tp->packets_out < 4

然后来看tcp_pause_early_retransmit这个函数，它主要是ER对快重传做一定的延迟.这里通过early_retrans_delayed来标记这个延迟.这个延迟时间一般是设置为RTT/4. 也就是当ER判断需要快重传的时候，并不会立即启动快重传，而是启动一个delay定时器，等定时器超时后再重传。

static bool tcp_pause_early_retransmit( struct sock *sk, int flag)
{
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    unsigned long delay;

    /* Delay early retransmit and entering fast recovery for
     * max(RTT/4, 2msec) unless ack has ECE mark, no RTT samples
     * available, or RTO is scheduled to fire first.
     */
    if (sysctl_tcp_early_retrans < 2 || (flag & FLAG_ECE) || !tp->srtt)
        return false ;
//设置延迟
    delay = max_t(unsigned long , (tp->srtt >> 5), msecs_to_jiffies(2));
    if (!time_after(inet_csk(sk)->icsk_timeout, (jiffies + delay)))
        return false ;
//启动定时器
    inet_csk_reset_xmit_timer(sk, ICSK_TIME_RETRANS, delay, TCP_RTO_MAX);
    tp->early_retrans_delayed = 1;
    return true ;
}

然后我们来看当delay定时器到期后会发生什么,由于通过上面的代码我们可以看到ER的delay定时器是重传定时器，因此当delay 超时后，将会在重传定时器回调中调用tcp_resume_early_retransmit。

void tcp_resume_early_retransmit( struct sock *sk)
{
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);

    tcp_rearm_rto(sk);

    /* Stop if ER is disabled after the delayed ER timer is scheduled */
    if (!tp->do_early_retrans)
        return ;

    tcp_enter_recovery(sk, false );
    tcp_update_scoreboard(sk, 1);
    tcp_xmit_retransmit_queue(sk);
}