01 - Garante Sequência e Entrega

Diferente da camada de Rede (IP), onde cada pacote é tratado de forma isolada e pode chegar fora de ordem ou até ser perdido, o TCP garante que o fluxo de dados seja entregue à aplicação exatamente como foi enviado.

1. O Número de Sequência (Sequence Number)

O segredo por trás da ordenação é o campo Sequence Number no cabeçalho do segmento:
- Cada byte enviado recebe um número sequencial exclusivo.
- O emissor informa o número do Primeiro Byte contido naquele segmento.
- O receptor usa esse número para colocar os segmentos na ordem correta, mesmo que eles cheguem embaralhados pela Internet.

ISN (Initial Sequence Number)

O número de sequência não começa em 0 ou 1. Cada conexão sorteia um ISN aleatório de 32 bits para dificultar ataques de TCP Sequence Prediction. O algoritmo tradicional baseia-se em um contador incrementado a cada 4 microssegundos (RFC 793), mas sistemas modernos (Linux, Windows) usam hashes criptográficos misturados com IPs e portas para garantir imprevisibilidade.

2. Acknowledgment (ACK) Cumulativo

O TCP usa ACK cumulativo: o campo Acknowledgment Number informa o próximo byte esperado, indicando implicitamente que todos os bytes anteriores foram recebidos. Se o emissor enviou os bytes 1-1000 e 1001-2000, e o receptor manda ACK = 2001, está dizendo "recebi tudo até o byte 2000, quero o 2001".

Regra do Delayed ACK

Para não saturar a rede com ACKs, o receptor pode atrasar a confirmação em até 200 ms ou até que acumule 2 segmentos recebidos (RFC 1122). Isso melhora a eficiência, mas pode aumentar a latência.

3. Remontagem do Fluxo (Reassembly)

Quando os pacotes chegam ao destino:
1. O Receptor coloca os segmentos recebidos em um Buffer de Recepção.
2. O Receptor verifica se há "buracos" (segmentos que ainda não chegaram).
3. Se um segmento chega fora de ordem (ex: recebeu o Segmento 3 antes do 2), ele o guarda no buffer mas não o entrega imediatamente à aplicação.
4. Quando o Segmento 2 chega (o "elo perdido"), o TCP remonta o fluxo e entrega os Segmentos 2 e 3 de uma só vez para a Aplicação.

O tamanho do buffer de recepção é anunciado no campo Window Size. Em Linux o padrão é ~64 KB, mas com Window Scale pode chegar a 1 GB.

4. Detecção e Filtro de Duplicatas

Graças ao número de sequência, o receptor consegue identificar facilmente se um segmento já foi recebido anteriormente (ex: devido a uma retransmissão desnecessária):
- O receptor simplesmente descarta o segmento duplicado e envia um ACK informando que já possui os dados.
- Duplicatas ocorrem com frequência quando o RTO (Retransmission Timeout) está mal calibrado e o ACK original ainda estava em trânsito.

5. Timeout e RTO

Cada segmento enviado (e ainda não confirmado) é armazenado em uma retransmission queue com um temporizador. Se o temporizador expira antes de chegar o ACK, o segmento é retransmitido.

Cálculo do RTT e SRTT

O RTT (Round-Trip Time) é o tempo entre o envio de um segmento e a chegada do seu ACK. Como o RTT varia com a congestão, o TCP mantém uma média ponderada exponencial chamada SRTT (Smoothed RTT):

SRTT = (1 - α) * SRTT + α * RTT_novo     (α típico = 0,125)
RTTVAR = (1 - β) * RTTVAR + β * |SRTT - RTT_novo|   (β = 0,25)
RTO = SRTT + max(G, 4 * RTTVAR)

Onde G é o clock granularity (tipicamente 1 tick de kernel). O RTO resultante deve ser ≥ 1 segundo e ≤ 60 segundos (RFC 6298).

6. Algoritmo de Karn

O Algoritmo de Karn resolve o problema de medir RTT em retransmissões: se o emissor retransmitiu um segmento, não sabe se o ACK que chegou corresponde ao segmento original ou ao retransmitido (retransmission ambiguity). Regras:

1. Não usar o RTT medido de segmentos retransmitidos para recalcular o SRTT.
2. Aplicar exponential backoff: cada retransmissão duplica o RTO, até um limite de 60 s. O RTO só volta ao valor normal após um ACK bem-sucedido de um segmento não retransmitido.

7. Duplicate ACKs e Fast Retransmit

Esperar o timeout (RTO) é lento — em redes de alta latência, pode significar segundos. Para acelerar a recuperação, o TCP usa Duplicate ACKs:

• Sempre que recebe um segmento fora de ordem, o receptor reenvia o mesmo ACK cumulativo.
• O emissor interpreta 3 ACKs duplicados consecutivos como forte indicativo de perda, retransmitindo o segmento faltante antes do timeout expirar (mecanismo Fast Retransmit, RFC 5681).
• Após o Fast Retransmit, o TCP entra em Fast Recovery (congestion control) ao invés de Slow Start.

8. Selective Acknowledgment (SACK)

O ACK cumulativo tem um problema: se segmentos 1, 3 e 5 chegam mas o 2 e o 4 se perdem, o receptor só pode ACKar até o 1. O emissor teria que retransmitir 2, 3, 4 e 5.

A opção SACK (RFC 2018) permite ao receptor informar explicitamente quais blocos não contíguos já recebeu (blocks: 1001-2000, 3001-4000). O emissor então retransmite apenas o que falta (2 e 4), economizando banda. Habilitado por padrão em Linux desde kernel 2.6.

9. Detecção de Perda por RST

Algumas situações de erro não envolvem perda, mas descarte explícito:
- Se um segmento chega para uma porta sem socket aberto, o receptor envia RST, encerrando a conexão imediatamente.
- Se um segmento chega com seq number totalmente fora da janela esperada, é descartado silenciosamente (ou ACKado para re-sincronizar).

10. Exemplo Prático de Recuperação

Considere uma transferência de 4 segmentos onde o segmento 2 se perde:

Emissor  →  Seg 1 (seq=1)      Receptor
Emissor  →  Seg 2 (seq=1001)   [PERDIDO]
Emissor  →  Seg 3 (seq=2001)    Receptor (fora de ordem, buffer)
         ←  ACK 1001 (dup ACK 1)
Emissor  →  Seg 4 (seq=3001)    Receptor (fora de ordem, buffer)
         ←  ACK 1001 (dup ACK 2)
         ←  ACK 1001 (dup ACK 3) →  Fast Retransmit!
Emissor  →  Seg 2 (seq=1001)    Receptor (retransmissão)
         ←  ACK 4001 (ack cumulativo confirma tudo)

Note que o receptor envia ACKs duplicados com o mesmo número (1001) a cada segmento fora de ordem recebido. Após 3 duplicatas, o emissor retransmite sem esperar o timeout.

11. Estado da Fila de Retransmissão

Cada segmento enviado e ainda não confirmado fica armazenado na retransmission queue do kernel. Em Linux:

# Ver sockets TCP com dados em fila de retransmissão
ss -tin | grep -E 'bytes_retrans'

# Ver estatísticas de retransmissão por interface
nstat -az TcpRetransSegs

# Ajustar RTO mínimo (ms) — útil em redes de baixa latência
echo 200 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_min_rto

12. Resumo dos Mecanismos de Garantia