QUIC 包管理 - 技术栈

ReceivedPacketTracker 类详细分析

核心功能概述

ReceivedPacketTracker 是 QUIC 协议实现中的一个关键组件，负责跟踪接收到的数据包 并管理 ACK 生成和丢包检测所需的状态信息。该类位于 AgentLinkCoro/src/base/net/quic/quic_packet_sorter.cc 文件中。

设计思路

1. 区间合并优化

该类通过组合使用 ReceivedPacketHistory 类来高效管理已接收数据包的历史记录。核心设计思想是使用区间合并算法而非简单的位图或哈希表，这样可以：

节省内存：特别是在高丢包率情况下
高效追踪：快速确定数据包是否已接收、是否丢失
优化 ACK 帧大小：使用合并的区间构造紧凑的 ACK 帧

2. ACK 策略设计

实现了复杂的 ACK 触发和延迟策略，包括：

数据包计数触发：累积一定数量的需确认数据包后触发 ACK
延迟 ACK 机制：设置 ACK 延迟定时器，平衡延迟和带宽
即时 ACK 场景：对首次数据包、重传数据包和丢包检测场景立即发送 ACK

3. 丢包检测机制

通过观察数据包接收模式来检测潜在的丢包：

当接收到的数据包编号跳跃过大时（最高 ACK 范围起始值大于上一次最大确认值+1），且该数据包是单数据包时，认为存在丢包

核心组件关系

scss 复制代码

ReceivedPacketTracker
       |
       └──► ReceivedPacketHistory (管理接收历史记录)
       |             |
       |             └──► PacketInterval (连续的数据包编号区间)
       |
       └──► 与 SentPacketHandler 交互 (发送 ACK 和接收丢包通知)

主要方法分析

1. 构造函数

cpp 复制代码

ReceivedPacketTracker::ReceivedPacketTracker()
{
    m_packet_history = std::make_shared<ReceivedPacketHistory>();
}

初始化数据包历史记录器。

2. 数据包处理

cpp 复制代码

void ReceivedPacketTracker::receivedPacket(QuicPacketNumber pn, uint64_t recv_time, bool should_instigate_ack)

处理接收到的数据包，主要步骤：

加锁保护并发访问
忽略编号过小的数据包
检查数据包是否为之前标记为丢失的
更新最大观察到的数据包编号和时间
将数据包添加到历史记录中
根据需要触发 ACK 处理

3. ACK 决策

cpp 复制代码

void ReceivedPacketTracker::maybeQueueAck(QuicPacketNumber pn, uint64_t recv_time, bool was_missing)

决定是否应该将 ACK 帧加入发送队列，触发条件包括：

首次接收到数据包
接收到之前丢失的数据包
累积了足够数量（>= PacketsBeforeAck）的需确认数据包
检测到新的丢失数据包

4. ACK 帧生成

cpp 复制代码

QuicAckFrame::ptr ReceivedPacketTracker::getAckFrame(bool only_if_queued)

同一个数据包的ACK可能会被发送多次，直到该范围被忽略。生成 ACK 帧并重置相关状态：

收集当前所有 ACK 范围
计算 ACK 延迟（从接收数据包到发送 ACK 的时间）
重置 ACK 相关计数器和标志

5. 丢包检测

cpp 复制代码

bool ReceivedPacketTracker::hasNewMissingPackets()

检查是否有新的丢失数据包需要报告，判断条件：

最高 ACK 范围的起始值大于上一次最大确认值+1
该范围长度为1（单数据包）

这表明收到了一个跳过中间编号的数据包，暗示中间数据包可能丢失。

6. 数据包状态检查

cpp 复制代码

bool ReceivedPacketTracker::isMissing(QuicPacketNumber pn)

检查数据包是否应该被视为丢失，判断条件：

数据包编号小于最大已确认编号
数据包未在 ACK 范围中

7. 历史记录优化

cpp 复制代码

void ReceivedPacketTracker::ignoreBelow(QuicPacketNumber pn)

忽略所有编号小于指定值的数据包，用于优化内存使用。

SentPacketHandler 类详细分析

核心功能概述

SentPacketHandler 是 QUIC 协议实现中的另一个核心组件，负责管理已发送数据包的状态、处理收到的 ACK 帧、执行丢包检测和实现拥塞控制 。该类位于 AgentLinkCoro/src/base/net/quic/quic_packet_sorter.cc 文件中，与 ReceivedPacketTracker 协同工作，共同保证 QUIC 协议的数据传输可靠性。

设计思路

1. 数据包生命周期管理

通过 SentPacketHistory 类实现数据包的完整生命周期管理：

发送跟踪：记录所有已发送数据包的信息
状态维护：维护数据包的各种状态（已发送、已确认、已丢失、已跳过）
内存优化：定期清理已确认或已丢失的旧数据包，避免内存泄漏
高效查找：提供快速查找和迭代已发送数据包的能力

2. 丢包检测与重传机制

实现了多层次的丢包检测策略：

基于时间的丢包检测：当数据包超过特定时间阈值未收到 ACK 时视为丢失
基于编号的丢包检测：当后续数据包已确认而中间数据包未确认时视为丢失
PTO（超时探测）机制：当定时器超时时发送探测包确认连接状态
自适应超时策略：基于 RTT 统计信息动态调整超时时间

3. ACK 处理与 RTT 估计

精心设计的 ACK 处理流程：

ACK 有效性验证：防止接收错误的 ACK 信息
RTT 精确计算：基于 ACK 延迟和数据包发送/接收时间计算真实 RTT
ACK 帧处理：解析 ACK 帧，找出所有已确认的数据包
帧级确认通知：通知每个帧它们已被确认，触发相应的回调处理

4. 拥塞控制集成

与 CUBIC 拥塞控制算法紧密集成：

飞行字节数管理：精确跟踪网络中未确认的字节数
拥塞事件响应：在检测到丢包时通知拥塞控制器
发送决策：根据拥塞状态确定数据包的发送模式
探测包策略：在网络状态不确定时发送探测包

核心组件关系

scss 复制代码

SentPacketHandler
       |
       ├──► SentPacketHistory (管理发送历史记录)
       |
       ├──► RTTStats (RTT统计信息管理)
       |
       ├──► CubicSender (拥塞控制算法实现)
       |
       └──► 与 ReceivedPacketTracker 交互 (接收 ACK 和发送丢包通知)

主要方法分析

1. 构造函数

cpp 复制代码

SentPacketHandler::SentPacketHandler(const RTTStats::ptr &rtt) : m_rtt_stats(rtt)
{
    // 初始化数据包历史记录
    m_data_packets.m_history = std::make_shared<SentPacketHistory>(m_rtt_stats);
    // 初始化CUBIC拥塞控制算法
    m_congestion = std::make_shared<CubicSender>(GetCurrentUS(), rtt, true, 1452);
}

初始化关键组件：数据包历史记录器和拥塞控制器。

2. 数据包发送处理

cpp 复制代码

void SentPacketHandler::sentPacket(QuicPacket::ptr packet, uint64_t now)

处理数据包发送，主要步骤：

更新发送字节数统计
调用内部实现处理数据包
设置数据包时间戳
将数据包记录到历史中
如果是需要 ACK 的数据包，设置丢包检测定时器

3. ACK 帧处理

cpp 复制代码

bool SentPacketHandler::receivedAck(QuicAckFrame::ptr frame, uint64_t recv_time)

处理收到的 ACK 帧，核心流程：

验证 ACK 的有效性（不能确认未发送的数据包）
更新最大确认的数据包编号
检测并移除已确认的数据包
更新 RTT 统计信息
重置 PTO 计数和探测包数量
清理旧的数据包历史
重新设置丢包检测定时器

4. 已确认数据包检测

cpp 复制代码

std::vector<QuicPacket::ptr> SentPacketHandler::detectAndRemoveAckedPackets(QuicAckFrame::ptr frame)

检测并处理已确认的数据包：

遍历 ACK 帧中的所有 ACK 范围
找出所有被确认的数据包
通知每个帧它们已被确认
从历史记录中移除已确认的数据包
返回已确认的数据包列表

5. 丢包检测

cpp 复制代码

bool SentPacketHandler::detectLostPackets(uint64_t now)

基于时间阈值检测丢失的数据包：

计算丢包检测延迟时间（基于 RTT 的倍数）
遍历所有数据包，检查是否超过丢包时间阈值
对于被检测为丢失的数据包，从飞行字节数中移除
通知拥塞控制器发生丢包
更新统计信息

6. 丢包检测超时处理

cpp 复制代码

bool SentPacketHandler::onLossDetectionTimeout()

处理丢包检测定时器超时事件：

执行丢包检测或准备发送探测包
增加 PTO 计数，调整下次超时时间
设置需要发送的探测包数量
重新设置丢包检测定时器

7. 探测包排队

cpp 复制代码

bool SentPacketHandler::queueProbePacket()

准备探测包进行重传：

获取第一个未完成的数据包
标记为丢失并排队其帧进行重传
更新字节流控信息

8. 发送模式决策

cpp 复制代码

PacketSendMode SentPacketHandler::sendMode()

确定当前的数据包发送模式：

检查跟踪的数据包数量，防止内存溢出
根据需要发送的探测包数量决定优先发送内容
根据拥塞控制状态决定是否允许发送新数据
返回适当的发送模式（无发送、只发送ACK、发送探测数据、允许任何发送）

9. 飞行字节数管理

cpp 复制代码

void SentPacketHandler::removeFromBytesInflight(QuicPacket::ptr packet)

从飞行中的字节数统计中移除数据包：

当数据包被确认或丢失时调用
更新飞行中的字节数（拥塞控制的关键参数）
进行防御性检查，避免统计错误