在传输控制中，确认机制（ACK 机制）作为反馈模块在实现拥塞控制、丢包恢复和状态监测等功能中起到了至关重要的作用。今天我将基于之前发表的论文研究成果，对确认机制的分类进行系统梳理，并讨论各类机制之间的区别与联系。
参考文献
中文引用格式: 李彤, 郑凯, 徐恪. 传输控制中的确认机制研究. 软件学报. 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. 确认机制的基本构成
确认机制通常可以从三个基本要素来描述：
- 类型：ACK 报文的种类，不同类型的 ACK 可能触发条件不同且携带不同的反馈信息。例如，SACK 与 NACK（或 NAK）属于不同类型。
- 触发条件：决定 ACK 报文生成时机的条件。基本上有三种：
- 数据到达触发：如每收到一个数据报文立即回复 ACK（Per-packet ACK）。
- 时间触发：固定时延后回复 ACK（Periodic ACK）。
- 即时事件触发：当检测到异常（如乱序、丢包或接收缓存不足）时立即回复 ACK（即时 ACK，IACK）。
- 反馈信息：ACK 报文携带的信息，如时延、带宽、丢包信息、控制参数等，用以反馈网络传输状态。
2. 主要的确认机制分类
| 机制 | ACK 频率描述 | 触发条件 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| Per-packet ACK | 每个数据报文都产生 ACK | 每收到一个数据报文立即回复 ACK | 反馈及时，RTT 采样精确 | ACK 数量过多，尤其在高带宽或小报文场景下开销大；尾包丢失时可能反馈不足 |
| Byte-counting ACK | 每累计收到 L 个 MSS 大小的数据后回复 ACK | 当累计接收数据量达到 L×MSS 时触发 | 降低 ACK 数量，减少反馈开销 | 带宽较大时 ACK 数量仍较高；发送方无数据时反馈不足，尾包丢失问题仍存 |
| Periodic ACK | 固定时间间隔内发送 ACK（频率固定） | 按固定时间 T 间隔发送，无论是否有数据到达 | 保证定期反馈，避免因数据稀疏导致超时 | 时间周期固定，无法根据带宽动态调整；低带宽时可能浪费资源 |
| Delayed ACK | 采用 Byte-counting 与 Periodic 中较大值 | 当收到一定数量（如 2 个）数据报文，或等待超过规定时延后触发 ACK | 在一定程度上平衡了反馈及时性与 ACK 数量 | 在带宽变化时适应性不足，ACK 数量仍无法最小化 |
| Bounded ACK | 取 Byte-counting 与 Periodic 中较小值 | 根据当前传输状态自适应选择：ACK 发送条件取两者中较小的反馈条件 | 能在不同带宽环境下保持 ACK 数量较低（有界） | 在某些情况下可能反馈不够及时 |
| TACK (Tame ACK) | 基于自适应公式（与 RTT、BDP 等挂钩）最小化 ACK | 根据带宽与时延动态调整触发条件，实现按需反馈，即在最合适时机发送最少 ACK | 具有优秀的带宽和时延适应性，能最小化 ACK 数量，同时保证反馈信息充分 | 设计较复杂，可能引入反馈延迟、时延评估偏差及流量突发等副作用 |
2.1 Per-packet ACK 机制
- 定义：接收方每收到一个数据报文即回复一个 ACK。
- 优点：反馈及时、信息精准，便于对每个数据包单独评估 RTT。
- 缺点：在大带宽或小数据报文场景下，ACK 数量过多，导致显著的通信与计算开销，同时尾包丢失时可能无法及时触发重传。
2.2 Byte-counting ACK 机制
- 定义：接收方累计接收到一定字节数（例如 L 个 MSS 数据）后，回复一个 ACK。
- 优点：有效降低 ACK 数量，减少反馈开销。
- 缺点：ACK 数量随带宽线性增长，当带宽很大时适应性较差，而且当发送方无数据发送时可能无法获得反馈，易引发超时。
2.3 Periodic ACK 机制
- 定义：不依赖数据包到达事件，而是接收方按照固定周期发送 ACK。
- 优点：能解决尾包丢失导致的超时问题，保持反馈的稳定性。
- 缺点：ACK 发送周期固定，无法根据带宽变化动态调整，带宽较小时可能资源浪费。
2.4 Delayed ACK 机制
- 定义：结合 Byte-counting 和 Periodic 两种触发条件，当满足任一条件时发送 ACK。例如，每收到 2 个数据报文或等待一定时延后回复 ACK。
- 优点：在一定程度上平衡了响应时延和 ACK 数量。
- 缺点：在带宽较大时可能仍然采用 Byte-counting 的方式，ACK 数量无法进一步降低，适应性有限。
2.5 Bounded ACK 机制
- 定义：在 Byte-counting ACK 与 Periodic ACK 两种方式中，取两者较小值作为 ACK 发送频率，从而使 ACK 数目在不同网络条件下保持较低且有界。
- 优点：具备较强的带宽适应性，能在高带宽环境下有效降低 ACK 数量。
- 缺点：在一些场景下可能反馈不够及时，影响丢包恢复效果。
2.6 Tame ACK（TACK）机制
- 定义：TACK 是基于 Bounded ACK 机制进一步改进的一种按需确认机制，既考虑带宽适应性，又兼顾时延适应性。其核心思想是通过自适应地设置触发参数（例如将参数与 RTT 的统计值挂钩），以最小化 ACK 数目。
- 优点：在带宽和时延同时动态变化的场景下，TACK 机制能有效降低 ACK 数目，同时保障反馈信息的准确性，支持高效丢包恢复与速率控制。
- 缺点：TACK 机制引入了一些副作用，如可能导致丢包恢复延迟增大、时延评估偏差、流量突发等问题，需在设计中做出权衡。
3. 机制之间的区别与联系
区别
-
触发条件不同
- Per-packet 和 Byte-counting 机制严格依赖数据包到达事件；
- Periodic 机制则完全基于时间；
- Delayed 机制结合了两者，而 Bounded 和 TACK 则进一步自适应地选择两者中的较优值。
-
反馈信息携带能力
- 一些机制（如 TACK）允许 ACK 报文携带更多反馈信息，如丢包详情、带宽、时延等，从而支持更精细的拥塞控制和丢包恢复；
- 而传统 Per-packet 或简单 Byte-counting 机制则反馈信息较为单一。
-
带宽与时延适应性
- Per-packet 和 Byte-counting 在高带宽环境下容易产生大量 ACK；
- Periodic 机制在低带宽时也无法动态降低 ACK 数量；
- TACK 机制则通过引入时延统计参数，实现对带宽和时延的双重适应。
联系
-
共同目标
所有确认机制设计的核心目标都是在确保传输控制所需的反馈信息充足的同时，尽可能降低 ACK 数量，减少通信开销和内部干扰。 -
演进关系
TACK 机制是在前述各类机制（如 Byte-counting、Periodic、Delayed、Bounded）的基础上提出的。它借鉴并优化了前两者在反馈触发上的优点，同时通过自适应参数实现了更好的时延和带宽适应性。 -
耦合关系
确认机制与拥塞控制、丢包恢复和状态监测等传输协议功能模块紧密耦合。反馈信息的时效性和准确性直接影响这些模块的运行效果，各机制在设计时均需考虑与其它模块的协同工作。
4. 总结
本文基于传输控制中的确认机制研究，对确认机制的分类进行了详细介绍，从 Per-packet、Byte-counting、Periodic、Delayed、Bounded 到 TACK 机制，全面探讨了各种机制的触发条件、反馈信息及其适应性特点。同时，我们也分析了各机制在反馈时延、ACK 数量控制以及与拥塞控制和丢包恢复之间的耦合关系。从整体上看，确认机制的发展体现了在满足传输可靠性的前提下，尽可能降低反馈开销、提升网络资源利用率的设计理念。未来，在用户态协议（如 QUIC）的广泛应用推动下，按需确认机制有望得到进一步完善和优化。
