可靠性层 (`reliability`) - ARQ与拥塞控制核心

概述

reliability模块是协议栈的“可靠性引擎”。它位于Endpoint的核心逻辑之下，负责实现所有与数据可靠传输相关的机制，包括自动重传请求（ARQ）、选择性确认（SACK）、流量控制和拥塞控制。该模块将复杂的传输层协议逻辑封装成一个独立的、可测试的单元，为上层提供了“即发即忘”的可靠数据流服务。

核心使命:

保证数据可靠性: 通过基于SACK的ARQ机制，确保所有数据包最终都能被对方接收。
处理网络异常: 有效处理数据包的丢失、乱序和重复。
流量与拥塞控制: 通过滑动窗口进行流量控制，并采用基于延迟的拥塞控制算法（Vegas）来避免网络拥塞，保证在恶劣网络环境下的稳定性。
数据流适配: 将上层Stream的字节流分割成数据包（Packetization），并将接收到的数据包重组成有序的字节流（Reassembly）。

架构实现:

主协调器: src/core/reliability/retransmission.rs - ReliabilityLayer作为模块的门面，聚合了所有子组件。
发送缓冲: src/core/reliability/send_buffer.rs - SendBuffer，暂存用户待发送的字节流。
接收缓冲: src/core/reliability/recv_buffer.rs - ReceiveBuffer，处理入站数据包的乱序、去重和重组。
打包器: src/core/reliability/packetizer.rs - Packetizer，将字节流分割成PUSH帧。
SACK与重传: src/core/reliability/retransmission/sack_manager.rs - SackManager，ARQ和快速重传的核心。
拥塞控制: src/core/reliability/congestion/vegas.rs - Vegas算法的具体实现。

设计原则

1. 分层与聚合

职责分离: 模块内部清晰地分离了数据缓冲(Send/ReceiveBuffer)、打包(Packetizer)、重传(SackManager)和拥塞控制(CongestionControl trait)的职责。
统一门面: ReliabilityLayer作为聚合根（Facade模式），将这些独立的组件组合在一起，并向上层Endpoint提供了一套简洁、统一的高层API（如handle_ack, packetize_stream_data），隐藏了内部的复杂性。

2. 状态与逻辑分离

无状态组件: Packetizer是一个典型的无状态辅助模块，它的所有行为都由传入的上下文决定，易于测试和推理。
状态组件: SendBuffer, ReceiveBuffer, SackManager和Vegas是状态化的，它们各自维护着发送、接收、在途包和拥塞状态。ReliabilityLayer负责协调这些状态的更新。

3. 可插拔的拥塞控制

Trait抽象: 拥塞控制算法通过CongestionControl trait进行抽象。ReliabilityLayer依赖于这个trait，而不是具体的Vegas实现。
灵活性: 这种设计使得未来可以轻松地实现和替换其他拥塞控制算法（如BBR），而无需修改ReliabilityLayer的核心逻辑。

整体架构与数据流

ReliabilityLayer是数据在Endpoint内部流转的核心枢纽。

graph TD
    subgraph "Endpoint层"
        A["用户写入 (字节)"] --> B[ReliabilityLayer::write_to_stream]
        C[ReliabilityLayer::packetize_stream_data] -- "PUSH帧" --> D["待发送帧"]
        E["网络帧 (ACK)"] --> F[ReliabilityLayer::handle_ack]
        G[ReliabilityLayer::reassemble] -- "有序字节" --> H["用户读取"]
    end

    subgraph "Reliability层内部"
        B --> SB(SendBuffer)
        P(Packetizer) -- "读取自" --> SB
        P -- "创建" --> C
        
        F -- "更新" --> SM(SackManager)
        F -- "更新" --> CC(CongestionControl)
        SM -- "RTT样本" --> RTT(RttEstimator)
        RTT -- "SRTT" --> CC
        SM -- "触发" --> FR["快速重传"]
        
        RB(ReceiveBuffer) -- "SACK信息" --> F
        RB -- "为...提供数据" --> G
        NF["网络帧 (PUSH)"] --> RB
    end
    
    style A fill:#333,color:#fff
    style B fill:#333,color:#fff
    style C fill:#333,color:#fff
    style D fill:#333,color:#fff
    style E fill:#333,color:#fff
    style F fill:#333,color:#fff
    style G fill:#333,color:#fff
    style H fill:#333,color:#fff
    style P fill:#333,color:#fff
    style RTT fill:#333,color:#fff
    style FR fill:#333,color:#fff
    style NF fill:#333,color:#fff
    style SB fill:#00008B,color:#fff,stroke:#fff,stroke-width:2px
    style RB fill:#00008B,color:#fff,stroke:#fff,stroke-width:2px
    style SM fill:#8B008B,color:#fff,stroke:#fff,stroke-width:2px
    style CC fill:#006400,color:#fff,stroke:#fff,stroke-width:2px

数据流解读:

发送路径:
- 用户写入的数据(Bytes)通过write_to_stream进入SendBuffer。
- Endpoint调用packetize_stream_data，内部的Packetizer会根据拥塞/流量窗口的许可，从SendBuffer拉取数据，并将其打包成PUSH帧。
- 这些帧被SackManager标记为“飞行中”，然后被发送出去。
ACK处理路径:
- Endpoint收到ACK帧后，调用handle_ack。
- SackManager解析ACK中的SACK信息，将已确认的包从“飞行中”移除，并计算出RTT样本。
- RTT样本被送到RttEstimator更新SRTT（平滑往返时间）。
- SRTT和丢包信号被传递给CongestionControl（Vegas）模块，以调整拥塞窗口。
- 如果SackManager检测到满足快速重传条件（如收到3个冗余ACK），它会立即决定重传丢失的数据包。
接收路径:
- Endpoint收到PUSH帧后，将其送入ReceiveBuffer。
- ReceiveBuffer负责处理乱序和重复，将数据包按序列号存入一个BTreeMap。
- Endpoint周期性地调用reassemble，从ReceiveBuffer中提取出连续有序的数据，交给用户读取。
- ReceiveBuffer同时能够根据内部的“空洞”生成SACK范围，为发送ACK帧提供依据。

核心组件解析

`ReceiveBuffer` - 乱序重组与SACK生成器

ReceiveBuffer的核心是一个BTreeMap<u32, PacketOrFin>，它利用BTreeMap按键排序的特性来自然地处理乱序数据包。

接收: 当收到一个PUSH帧时，如果其序列号seq大于等于next_sequence（期望的下一个连续包号），则将其存入BTreeMap。
重组: reassemble方法会检查BTreeMap的第一个元素的序列号是否等于next_sequence。如果是，就将其取出，并递增next_sequence，然后继续检查下一个元素，直到遇到不连续的包。
SACK生成: get_sack_ranges方法遍历BTreeMap中的所有键（序列号），并将连续的序列号块合并成SackRange，从而精确地告诉对端哪些数据包已经被接收。

`SackManager` - ARQ大脑

SackManager是实现可靠性的关键。它维护一个BTreeMap<u32, SackInFlightPacket>来跟踪所有已发送但未确认的数据包。

跟踪: 发送数据包时，记录其发送时间戳和内容。
确认: 收到ACK时，根据累积确认号和SACK范围，将对应的包从“飞行中”移除。
RTT计算: 对于每个新确认的包，用当前时间减去其发送时间戳，得到一个RTT样本。
快速重传: 当一个包seq_A未被确认，但后续更高序列号的包seq_B, seq_C, seq_D都被SACK确认时，SackManager会认为seq_A很可能已经丢失，并在RTO（重传超时）定时器到期前，立即将其重传。

`Vegas` - 基于延迟的拥塞控制器

Vegas算法的核心思想是主动避免拥塞，而非被动地响应丢包。

基准RTT: 它会持续跟踪连接的最小RTT（min_rtt），将其作为网络未拥塞时的基准延迟。
队列评估: 对于每个收到的ACK，它会计算出当前RTT与min_rtt的差值。这个差值反映了数据包在网络中间节点（如路由器）缓冲区中的排队延迟。
窗口调整:
- 当排队延迟很小时（diff < alpha），说明网络路径通畅，可以线性增加拥塞窗口。
- 当排队延迟过大时（diff > beta），说明网络开始出现拥塞迹象，需要线性减小拥塞窗口。
- 当延迟在alpha和beta之间时，保持窗口大小不变。
丢包处理: 与传统算法（如Reno）在每次丢包时都将窗口减半不同，Vegas会区分拥塞性丢包（RTT显著增大时发生）和随机性丢包。对于前者，它会采取激进的窗口减半策略；对于后者，则只是温和地减小窗口，避免了在无线等高随机丢包网络下的性能骤降。

总结

reliability模块通过其精心设计的组件化架构，成功地将复杂的可靠传输逻辑分解为一系列协同工作的、职责明确的单元。它不仅实现了高效的基于SACK的ARQ机制，还集成了一个先进的、为不稳定网络优化的Vegas拥塞控制算法，共同构成了整个协议栈稳定、高效运行的坚实基础。

Keyboard shortcuts

kestrel-protocol