面试题：网络编程之TCP/IP协议栈广域网优化传输

Question

当广域网出现高延迟和高丢包率时，TCP协议栈会有哪些自适应调整策略来维持数据传输效率和可靠性，这些策略在实际应用中有哪些局限性？

Answer 1

TCP协议栈自适应调整策略

1. 慢启动（Slow Start）： 在连接建立初期，TCP会以一个较小的拥塞窗口（通常为1个MSS，即最大段大小）开始发送数据。每收到一个确认（ACK），拥塞窗口就增加1个MSS。这样逐渐增加发送速率，避免一开始就向网络注入过多数据导致拥塞加剧。
2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）： 当拥塞窗口达到慢启动门限（ssthresh）时，TCP进入拥塞避免阶段。此时，每收到一个ACK，拥塞窗口增加1/cwnd个MSS，增长速度相比慢启动阶段大幅减缓，以试探网络的承载能力。
3. 快速重传（Fast Retransmit）： 当TCP接收到3个重复的ACK时，就认为某个数据包已经丢失，立即重传该数据包，而不必等待超时。这可以快速恢复丢失的数据，减少等待时间，提高数据传输效率。
4. 快速恢复（Fast Recovery）： 在快速重传之后，TCP并不马上将拥塞窗口降为1，而是将ssthresh设置为当前拥塞窗口的一半，然后将拥塞窗口设置为ssthresh加上3倍的MSS，继续进入拥塞避免阶段。这样可以在一定程度上维持数据传输速率，避免因窗口急剧下降导致的性能大幅降低。
5. 超时重传（Retransmission Timeout, RTO）调整： TCP会根据网络状况动态调整重传超时时间。如果网络延迟较高，RTO会相应增大；若网络状况改善，RTO会减小。通过这种方式，在丢包时能合理等待ACK，避免不必要的重传。

实际应用中的局限性

1. 慢启动和拥塞避免：

• 收敛速度慢：在网络状况突然变好时，慢启动和拥塞避免机制使得窗口增长相对缓慢，不能迅速利用网络空闲带宽，导致数据传输效率提升不及时。
• 初始窗口过小：对于高速网络，初始拥塞窗口（1个MSS）可能过小，需要较长时间才能达到较高的传输速率，在短连接场景下效率较低。

2. 快速重传和快速恢复：

• 依赖重复ACK：若网络中ACK乱序到达，可能导致误判为丢包而触发不必要的快速重传，增加网络负载。
• 不能完全应对网络变化：当网络持续恶化，快速恢复后仍可能再次出现丢包，不能从根本上解决网络拥塞问题。

3. RTO调整：

• 估计不准确：RTO的动态调整依赖于对网络延迟的估计，但实际网络延迟可能波动较大，导致RTO估计不准确。RTO设置过长，会使丢包后等待重传时间过长，降低传输效率；RTO设置过短，会导致不必要的重传，加重网络负担。
• 全局同步问题：当网络发生拥塞时，多个TCP连接可能同时超时重传，导致网络流量瞬间增大，进一步加剧拥塞，出现所谓的“全局同步”现象。