用于优化TCP协议的Karn算法

Karn的方法旨在解决在传输控制协议（TCP）通信中获取准确往返时间（RTT）估计值的问题。这一方法由Phil Karn和Craig Partridge在1987年提出，因此被广泛称为Karn-Partridge算法。

TCP中的Karn算法

在TCP协议中，准确估计往返时间（RTT）对于确定合适的重传超时时间非常重要。RTT通常定义为从发送一个数据包到收到确认信号所经过的时间。然而，当某个数据包被重新传输时，发送方就无法判断该确认信号是对应于原始传输还是重新传输的结果。这种不确定性会导致无法准确测量RTT。

Karn算法通过从RTT计算中排除重复传输的片段来解决这个问题。它只会在确认信息明确指向那些仅被发送一次的片段时，才更新RTT估计值。这样就能消除歧义，从而提高时间估计的准确性。

尽管该算法非常有效，但它也有其局限性。如果网络延迟突然增加，而TCP仍然依赖于过时的RTT估计值，那么RTO可能会变得过于短。这会导致TCP不必要地重新传输数据段，从而无法获得有效的RTT样本。最终，就会导致重复的重传现象，进而降低系统的性能。

Karn算法的运作原理

• 处理重传时的歧义问题当数据包被重新传输时，如果收到了确认消息，TCP无法判断该确认消息是针对原始数据包还是重新传输后的数据包。这种不确定性使得RTT的测量结果不可靠。

• 忽略重传分组的RTT值为了避免出现错误的RTT估计值，Karn算法会忽略那些来自重传数据包的RTT数据。只有那些已经发送过一次的数据包的ACK信号才会被用来更新RTT值。

• 指数型退避策略（RTO调整）TCP采用指数式退避策略，即在每次传输失败之后，都会将重传超时时间加倍。这样有助于避免在网络拥塞时导致网络拥塞现象的发生。

• 在成功传输后，更新RTT值。当数据包在无需重新传输的情况下被成功确认时，其往返时间被认为是有效的。此时，该数据包的往返时间会被用于更新平滑化的往返时间以及延迟时间的值。

• 防止网络过载通过结合RTT过滤技术和RTO回退策略，Karn算法能够保持精确的时序控制，同时避免网络因重复的重传而陷入混乱。

涉及的步骤：

1. 发送一个片段，然后启动计时器。
2. 如果ACK在不需要重新传输的情况下被接收，那么可以使用更新RTT和RTO所需的时间来计算相应的数值。
3. 如果再次发生重传情况，请不要使用那个ACK值来更新RTT。
4. 在每次重新传输之后，将超时值（RTO）加倍，以进一步减少拥塞情况。

卡恩算法的必要性

• 在不可靠或网络状况不稳定的情况下，能够提升TCP协议的性能。
• 能够监控RTT和RTO指标，从而帮助及早发现并诊断网络问题。
• 当收到ACK响应时，会出现地址重传的歧义问题。也就是说，无法确定该ACK是对应原始数据包还是重传后的数据包。
• 不准确的RTT估计会导致错误的RTO值，从而影响数据传输的效率。
• 那些含义模糊的ACK信号会被忽略，这样只有可靠的数据才会被用于RTT的更新中。
• 可以避免不必要的重复传输，从而提高网络效率以及应用程序的响应速度。
• 能够改善网络的调优效果，提升网络的稳定性，尤其是在存在丢包或网络拥堵的环境中。