QUIC的loss detection学习

PTO backoff

backoff 补偿

/ˈbækɒf/

PTO backoff 是QUIC（Quick UDP Internet Connections）协议中的一种机制，用于处理探测超时（Probe Timeout, PTO）重传策略
它逐步增加探测超时的等待时间，以避免网络拥塞并减少不必要的重传

什么是PTO Backoff

PTO backoff 是一种延时策略，用于在多个 PTO 事件发生后逐渐增加超时等待时间，以减少网络负载和拥塞风险
即，每次当数据包重传仍然未得到 ACK 确认时，QUIC 协议会延长下一次 PTO 计算的等待时间

PTO Backoff的工作原理

初始 PTO 计算：
初始 PTO 通常基于平滑后的 RTT（Round-Trip Time，往返时间）

第一次 PTO 触发：
当超过初始 PTO 时间仍未收到数据包的 ACK 确认，触发第一次重传

应用 PTO Backoff：
每次 PTO 后，若仍未收到 ACK 确认，下一次 PTO 值会增加。增加的方式通常是指数增长。

例如，PTO backoff 因子可能是 2，那么第二次 PTO 等待时间将是初始 PTO 的两倍，第三次为初始 PTO 的四倍，依此类推。
假设 backoff_factor = 2, 且初始 PTO 为 100ms

那么：
第一次PTO：100ms
第二次PTO：100ms × 2 = 200ms
第三次PTO：200ms × 2 = 400ms

减少网络拥塞：

通过逐步增加超时时间，PTO backoff 避免了在拥塞的网络中过于频繁的重传请求，从而减轻网络负载。

PTO Backoff的优点

防止网络拥塞：
逐步增加超时等待时间，减少过频的重传，防止因重传过多而加剧网络拥塞

提高重传效率：
通过合理的延迟策略，重传可以在网络状况有所恢复时进行，提高重传成功率

动态适应网络：
根据实际的网络反馈，动态调整PTO等待时间，有助于在不同网络状况下保持良好的传输性能

示例

假设初始 PTO 为 100ms，backoff 因子为 2

以下是一次重传过程的模拟：
发送了包X，并启动初始PTO 100ms
经过 100ms 仍未收到包 X 的 ACK，触发第一重传
设置下一次 PTO 为 200ms
经过 200ms 仍未收到 ACK，触发第二次重传
设置下一次 PTO 为 400ms
经过 400ms 仍未收到 ACK，触发第三次重传
设置下一次 PTO 为 800ms
依此类推，直到网络恢复或所有重传尝试结束

总结

通过动态增加探测超时的等待时间，减少了在网络状况不佳时过于频繁的重传请求，防止网络进一步拥塞
通过合理的延迟策略，PTO backoff 提升了重传效率，并动态适应了不同的网络环境，从而确保数据传输的稳定性和可靠性

PTO 是跨多个编号空间的吗？

探测超时（Probe Timeout, PTO）机制的设计和应用确实是跨越多个编号空间的。

编号空间

QUIC引入编号空间（Packet Number Spaces）的概念，以支持不同类型的包和它们各自的状态管理。

初始编号空间（Initial Packet Number Space）：用于初始连接握手的包
0-RTT编号空间（0-RTT Packet Number Space）：用于在连接握手完成前发送的数据包
握手编号空间（Handshake Packet Number Space）：用于连接握手完成前的后续包
1-RTT编号空间（1-RTT Packet Number Space）：用于连接握手完成后的正常数据传输

PTO跨编号空间的工作原理

在计算PTO时，QUIC需要跨多个编号空间来确定最佳的探测超时值。

具体步骤如下：
初始化和计算独立PTO：
对每个编号空间独立计算初始PTO。每个编号空间有自己的RTT估计和相关的变量。

选择最小PTO：
最终的PTO值是所有编号空间中最小的那个。这样可以确保最早探测到潜在丢包并进行重传。
例如，如果在初始编号空间的PTO是300ms，握手编号空间的PTO是200ms，那么，最终使用的PTO值是200ms。

跨编号空间的探测包：
当PTO触发时，可能需要在不同的编号空间内发送探测包。探测包可以是用于确认连接状态的控制信息，也可以是需要重传的数据包。

动态调整PTO：
根据接收到的ACK确认情况和网络状况，动态调整各个编号空间的PTO值。这有助于在不断变化的网络条件下维持传输稳定性和有效性。

示例

假设存在三个编号空间：
初始编号空间（Initial）、握手编号空间（Handshake）、1-RTT编号空间（1-RTT）

每个编号空间的初始PTO计算如下：

最终，跨编号空间的PTO值为

触发探测超时的操作：
在 200ms 后，如果握手编号空间尚未收到 ACK 确认，就会在此编号空间内发送探测包（如握手信息的重传）
如果在接下来的探测包发送后，仍未确认其它编号空间的数据包，可以逐步触发这些编号空间的重传

优点

确保可靠性：通过跨越多个编号空间的PTO机制，可以更早地探测到连接中的任何问题（如数据包丢失），并及时进行重传。
降低延迟：PTO计算采用最小值策略，使得在最短时间内就能发现问题，并采取修复措施。
动态调整：根据实际网络状况，动态调整各个编号空间的PTO值，有助于优化网络性能。

总结

探测超时（PTO）在QUIC协议中确实是跨多个编号空间进行管理和计算的。
通过在多个编号空间内计算独立的PTO值并选择最小的一个进行实际操作，QUIC能够更加灵敏和高效地处理潜在的丢包和延迟问题。
这有助于提高数据传输的可靠性和效率，尤其是在不同类型数据包和不同网络条件下。

PTO是跨编号空间的，为啥每个编号空间还要单独计算PTO

不同的编号空间在处理和传输不同类型的数据包时，往返时延（RTT）和丢包情况可能各有不同。

QUIC协议中的每个编号空间（如Initial、Handshake、1-RTT等）都有其独特的用途和重要性：
Initial编号空间：用于初始连接握手
Handshake编号空间：用于交换握手数据，完成密钥协商
1-RTT编号空间：用于传输正式数据（连接握手完成后的常规数据传输）
每个编号空间中的数据包类型、大小、传输频率和期望的RTT可能都有所不同，因此需要独立管理和监测其状况。

不同编号空间的数据包在网络传输中的RTT可能不同，比如：
握手包（Handshake Packets）通常需要经过更多的处理步骤，因此其RTT可能会略高
初始包（Initial Packets）可能较少受网络拥塞的影响，因为它们通常是在连接初始化时发送的
由于这种差异，独立计算各编号空间的PTO值能使QUIC更精细地反映实时网络状况，并基于精确的信息做出决策。

丢包检测和处理的精确性
单独计算每个编号空间的PTO可以使丢包检测和处理更加精确：
如果一个特定编号空间的PTO较短，说明这个编号空间中的数据更容易丢包，需要更迅速的重传。
独立计算的PTO值帮助快速发现网络瓶颈或传输异常，对应采取措施以减少整体传输延迟。

灵活的重传策略
独立计算PTO还支持更灵活的重传策略：
在某一个编号空间中探测到丢包，可以对该编号空间进行更快的重传，而不影响其他编号空间的数据传输。
这个独立性允许QUIC在网络状况异常时，能够专注于最急需修复的问题，不浪费资源在相对稳定的编号空间。

应用

假设存在三个编号空间（Initial、Handshake、1-RTT），每个编号空间的都有各自的PTO
然后，跨编号空间的PTO选择最小值

当触发PTO时
如果Initial编号空间中的包超时未被确认，需要重传Initial编号空间的包，同时调增PTO值
其他编号空间如没有超时，不需要立即重传，保持当前PTO，直到实际触发

总结

尽管QUIC协议对PTO进行跨编号空间管理，但为了确保每个编号空间的独立性和灵敏度，每个编号空间内仍需单独计算PTO值。
这种策略提供了更精细和精准的丢包检测和重传管理，使得QUIC在不同传输阶段能有效适应网络变化，提高传输的可靠性和效率。