在傳輸控制中，確認機制（ACK 機制）作為反饋模塊在實現擁塞控制、丟包恢復和狀態監測等功能中起到了至關重要的作用。今天我將基于之前發表的論文研究成果，對確認機制的分類進行系統梳理，并討論各類機制之間的區別與聯系。
參考文獻
中文引用格式: 李彤, 鄭凱, 徐恪. 傳輸控制中的確認機制研究. 軟件學報. http://www.jos.org.cn/1000-9825/6939.htm
英文引用格式: Li T, Zheng K, Xu K. Acknowledgment Mechanisms of Transmission Control. Ruan Jian Xue Bao/Journal of Software (in Chinese). http://www.jos.org.cn/1000-9825/6939.htm
1. 確認機制的基本構成
確認機制通常可以從三個基本要素來描述：
- 類型：ACK 報文的種類，不同類型的 ACK 可能觸發條件不同且攜帶不同的反饋信息。例如，SACK 與 NACK（或 NAK）屬于不同類型。
- 觸發條件：決定 ACK 報文生成時機的條件。基本上有三種：
- 數據到達觸發：如每收到一個數據報文立即回復 ACK（Per-packet ACK）。
- 時間觸發：固定時延后回復 ACK（Periodic ACK）。
- 即時事件觸發：當檢測到異常（如亂序、丟包或接收緩存不足）時立即回復 ACK（即時 ACK，IACK）。
- 反饋信息：ACK 報文攜帶的信息，如時延、帶寬、丟包信息、控制參數等，用以反饋網絡傳輸狀態。
2. 主要的確認機制分類
| 機制 | ACK 頻率描述 | 觸發條件 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|---|
| Per-packet ACK | 每個數據報文都產生 ACK | 每收到一個數據報文立即回復 ACK | 反饋及時，RTT 采樣精確 | ACK 數量過多，尤其在高帶寬或小報文場景下開銷大；尾包丟失時可能反饋不足 |
| Byte-counting ACK | 每累計收到 L 個 MSS 大小的數據后回復 ACK | 當累計接收數據量達到 L×MSS 時觸發 | 降低 ACK 數量，減少反饋開銷 | 帶寬較大時 ACK 數量仍較高；發送方無數據時反饋不足，尾包丟失問題仍存 |
| Periodic ACK | 固定時間間隔內發送 ACK（頻率固定） | 按固定時間 T 間隔發送，無論是否有數據到達 | 保證定期反饋，避免因數據稀疏導致超時 | 時間周期固定，無法根據帶寬動態調整；低帶寬時可能浪費資源 |
| Delayed ACK | 采用 Byte-counting 與 Periodic 中較大值 | 當收到一定數量（如 2 個）數據報文，或等待超過規定時延后觸發 ACK | 在一定程度上平衡了反饋及時性與 ACK 數量 | 在帶寬變化時適應性不足，ACK 數量仍無法最小化 |
| Bounded ACK | 取 Byte-counting 與 Periodic 中較小值 | 根據當前傳輸狀態自適應選擇：ACK 發送條件取兩者中較小的反饋條件 | 能在不同帶寬環境下保持 ACK 數量較低（有界） | 在某些情況下可能反饋不夠及時 |
| TACK (Tame ACK) | 基于自適應公式（與 RTT、BDP 等掛鉤）最小化 ACK | 根據帶寬與時延動態調整觸發條件，實現按需反饋，即在最合適時機發送最少 ACK | 具有優秀的帶寬和時延適應性，能最小化 ACK 數量，同時保證反饋信息充分 | 設計較復雜，可能引入反饋延遲、時延評估偏差及流量突發等副作用 |
2.1 Per-packet ACK 機制
- 定義：接收方每收到一個數據報文即回復一個 ACK。
- 優點：反饋及時、信息精準，便于對每個數據包單獨評估 RTT。
- 缺點：在大帶寬或小數據報文場景下，ACK 數量過多，導致顯著的通信與計算開銷，同時尾包丟失時可能無法及時觸發重傳。
2.2 Byte-counting ACK 機制
- 定義：接收方累計接收到一定字節數（例如 L 個 MSS 數據）后，回復一個 ACK。
- 優點：有效降低 ACK 數量，減少反饋開銷。
- 缺點：ACK 數量隨帶寬線性增長，當帶寬很大時適應性較差，而且當發送方無數據發送時可能無法獲得反饋，易引發超時。
2.3 Periodic ACK 機制
- 定義：不依賴數據包到達事件，而是接收方按照固定周期發送 ACK。
- 優點：能解決尾包丟失導致的超時問題，保持反饋的穩定性。
- 缺點：ACK 發送周期固定，無法根據帶寬變化動態調整，帶寬較小時可能資源浪費。
2.4 Delayed ACK 機制
- 定義：結合 Byte-counting 和 Periodic 兩種觸發條件，當滿足任一條件時發送 ACK。例如，每收到 2 個數據報文或等待一定時延后回復 ACK。
- 優點：在一定程度上平衡了響應時延和 ACK 數量。
- 缺點：在帶寬較大時可能仍然采用 Byte-counting 的方式，ACK 數量無法進一步降低，適應性有限。
2.5 Bounded ACK 機制
- 定義：在 Byte-counting ACK 與 Periodic ACK 兩種方式中，取兩者較小值作為 ACK 發送頻率，從而使 ACK 數目在不同網絡條件下保持較低且有界。
- 優點：具備較強的帶寬適應性，能在高帶寬環境下有效降低 ACK 數量。
- 缺點：在一些場景下可能反饋不夠及時，影響丟包恢復效果。
2.6 Tame ACK（TACK）機制
- 定義：TACK 是基于 Bounded ACK 機制進一步改進的一種按需確認機制，既考慮帶寬適應性，又兼顧時延適應性。其核心思想是通過自適應地設置觸發參數（例如將參數與 RTT 的統計值掛鉤），以最小化 ACK 數目。
- 優點：在帶寬和時延同時動態變化的場景下，TACK 機制能有效降低 ACK 數目，同時保障反饋信息的準確性，支持高效丟包恢復與速率控制。
- 缺點：TACK 機制引入了一些副作用，如可能導致丟包恢復延遲增大、時延評估偏差、流量突發等問題，需在設計中做出權衡。
3. 機制之間的區別與聯系
區別
-
觸發條件不同
- Per-packet 和 Byte-counting 機制嚴格依賴數據包到達事件；
- Periodic 機制則完全基于時間；
- Delayed 機制結合了兩者，而 Bounded 和 TACK 則進一步自適應地選擇兩者中的較優值。
-
反饋信息攜帶能力
- 一些機制（如 TACK）允許 ACK 報文攜帶更多反饋信息，如丟包詳情、帶寬、時延等，從而支持更精細的擁塞控制和丟包恢復；
- 而傳統 Per-packet 或簡單 Byte-counting 機制則反饋信息較為單一。
-
帶寬與時延適應性
- Per-packet 和 Byte-counting 在高帶寬環境下容易產生大量 ACK；
- Periodic 機制在低帶寬時也無法動態降低 ACK 數量；
- TACK 機制則通過引入時延統計參數，實現對帶寬和時延的雙重適應。
聯系
-
共同目標
所有確認機制設計的核心目標都是在確保傳輸控制所需的反饋信息充足的同時，盡可能降低 ACK 數量，減少通信開銷和內部干擾。 -
演進關系
TACK 機制是在前述各類機制（如 Byte-counting、Periodic、Delayed、Bounded）的基礎上提出的。它借鑒并優化了前兩者在反饋觸發上的優點，同時通過自適應參數實現了更好的時延和帶寬適應性。 -
耦合關系
確認機制與擁塞控制、丟包恢復和狀態監測等傳輸協議功能模塊緊密耦合。反饋信息的時效性和準確性直接影響這些模塊的運行效果，各機制在設計時均需考慮與其它模塊的協同工作。
4. 總結
本文基于傳輸控制中的確認機制研究，對確認機制的分類進行了詳細介紹，從 Per-packet、Byte-counting、Periodic、Delayed、Bounded 到 TACK 機制，全面探討了各種機制的觸發條件、反饋信息及其適應性特點。同時，我們也分析了各機制在反饋時延、ACK 數量控制以及與擁塞控制和丟包恢復之間的耦合關系。從整體上看，確認機制的發展體現了在滿足傳輸可靠性的前提下，盡可能降低反饋開銷、提升網絡資源利用率的設計理念。未來，在用戶態協議（如 QUIC）的廣泛應用推動下，按需確認機制有望得到進一步完善和優化。
