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。
