1. 背景
在 TCP（Transmission Control Protocol）传输过程中，数据丢失是不可避免的，TCP 通过超时重传和快速重传机制来保证可靠性。那么，既然有超时重传，为什么还需要快速重传机制？接下来深入探讨这两个机制的区别、超时重传的局限性以及快速重传的必要性。
2. TCP 超时重传机制
2.1 什么是超时重传？
TCP 发送数据时，每个数据包都会设置一个超时时间（RTO, Retransmission Timeout） ，如果在该时间内没有收到接收方的 ACK（确认应答），则认为数据包丢失，触发重传。
2.2 RTO（超时重传时间）如何计算？
TCP 采用自适应超时计算，通常使用加权平均 RTT（Round-Trip Time, 往返时间） 估算 RTO：
其中：
RTT_sample：单次往返时间测量值SRTT（平滑 RTT）：历史 RTT 的加权平均值RTTVAR（RTT 偏差）：测量值的变化范围α（一般设为 0.125）
2.3 超时重传的局限性
- RTO 计算存在延迟
RTO 通常较长（典型值在 200ms 以上），如果等到超时才重传，恢复速度会很慢。 - 适应性差
TCP 采用指数回退（Exponential Backoff）调整 RTO，每次超时重传后，RTO 值会成倍增长，这可能导致传输恢复变慢。 - 丢失检测滞后
如果数据包丢失但仍有部分数据包被成功接收，TCP 需要等待整个超时时间才能检测到丢失，这影响了整体吞吐量。
3. 快速重传机制
3.1 什么是快速重传？
TCP 采用累计确认（Cumulative Acknowledgment）机制，即接收方只会确认最后一个按序到达的数据包，如果某个数据包丢失，后续数据包仍然可能被接收，并导致 ACK 反复确认最后一个正确接收的包。
快速重传（Fast Retransmit）机制就是基于重复 ACK 触发的：
- 发送方如果连续收到 3 个重复 ACK（Duplicate ACK），就可以推测某个数据包可能丢失，而不必等待 RTO 触发超时重传。
- 发送方立即重传该数据包，从而加速数据恢复。
3.2 快速重传的优点
- 减少超时等待，缩短恢复时间
避免了等待完整 RTO，能够更快地进行数据恢复。 - 不影响 RTT 计算
由于没有发生真正的超时，TCP 的 RTT 估算不会受到指数回退的影响，从而保持更稳定的 RTO 计算。 - 提高吞吐量
及时重传丢失的数据包，减少了窗口阻塞，保证了数据流的连续性。
3.3 快速重传的触发条件
- 发送方收到连续 3 个相同的 ACK（Duplicate ACK）
- 立即重传对应的丢失数据包，而不等待超时
4. 快速重传和超时重传的对比
| 机制 | 触发条件 | 触发时机 | 影响 |
|---|---|---|---|
| 超时重传（Timeout Retransmission） | RTO 过期未收到 ACK | 慢 | 影响吞吐量 |
| 快速重传（Fast Retransmit） | 收到 3 个重复 ACK | 快 | 提高传输效率 |
核心区别：快速重传是基于ACK 反馈，而超时重传是基于定时器。
5. 为什么 TCP 需要同时使用超时重传和快速重传？
虽然快速重传能提高效率，但它有局限性：
- 丢包发生在窗口开始位置时，可能不会触发 3 个重复 ACK
-
- 如果窗口很小（例如初始慢启动），可能无法积累足够的重复 ACK。
- 解决方案：必须依赖超时重传进行恢复。
- 多个数据包丢失时，快速重传可能不够用
-
- 例如，大量数据丢失会导致 TCP 序列号乱序，可能不会出现 3 个重复 ACK。
- 解决方案：超时重传仍然是最后的兜底策略。
- ACK 丢失导致误判
-
- 例如，ACK 丢失导致发送方无法收到 3 个重复 ACK，就无法触发快速重传。
- 解决方案：最终仍然需要超时重传来保证数据可靠交付。
6. 快速重传的优化：快速恢复（Fast Recovery）
如果丢包导致窗口缩小，TCP 可能会进入拥塞避免状态，这会影响传输速率。
快速恢复（Fast Recovery） ：
- 在快速重传后，不进入慢启动，而是直接进入拥塞避免（Congestion Avoidance） ，避免窗口回缩过猛。
- 主要用于 Reno 和 NewReno 版本的 TCP。
示意流程：
- 发生丢包，收到 3 个重复 ACK，触发快速重传。
- 进入快速恢复模式，减小窗口而不进入慢启动。
- 收到新 ACK 后，恢复正常传输。
7. 总结
- 超时重传 是 TCP 保证可靠性的基础，但它的等待时间长，影响吞吐量。
- 快速重传 能在 3 个重复 ACK 时立即恢复丢包，提高传输效率。
- 两者结合 使 TCP 能够既可靠又高效地传输数据，其中快速重传是优化吞吐量的关键，而超时重传是兜底策略。
- 快速恢复（Fast Recovery） 进一步优化了快速重传后的拥塞控制，防止窗口过度回缩，提高性能。
最终结论：
快速重传不能完全替代超时重传，但它大幅优化了 TCP 丢包恢复的效率，两者相辅相成，使 TCP 既能高效传输，又能保证可靠性。
