TCP/IPTCP滑动窗口和拥塞控制

Posted 2022-02-08 end

目前建立在TCP协议上的网络协议特别多，有telnet，ssh，有ftp，有http等等。这些协议又可以根据数据吞吐量来大致分成两大类：(1)交互数据类型，例如telnet，ssh，这种类型的协议在大多数情况下只是做小流量的数据交换，比如说按一下键盘，回显一些文字等等。(2)数据成块类型，例如ftp，这种类型的协议要求TCP能尽量的运载数据，把数据的吞吐量做到最大，并尽可能的提高效率。针对这两种情况，TCP给出了两种不同的策略来进行数据传输。

1.TCP的交互数据流

对于交互性要求比较高的应用，TCP给出两个策略来提高发送效率和减低网络负担：（1）捎带ACK。(2)Nagle算法（一次尽量多的发数据）。通常，在网络速度很快的情况下，比如用lo接口进行telnet通信，当按下字母键并要求回显的时候，客户端和服务器将经历 发送按键数据->服务器发送按键数据的ack -> 服务器端发送回显数据->客户端发送回显数据的ACK的过程，而其中的数据流量将是40bit + 41bit+41bit+40bit = 162bit，如果在广域网里面，这种小分组的TCP流量将会造成很大的网络负担。

1.1.捎带ACK的发送方式

这个策略是说，当主机收到远程主机的TCP数据报之后，通常不马上发送ACK数据报，而是等上一个短暂的时间，如果这段时间里面主机还有发送到远程主机的TCP数据报，那么就把这个ACK数据报“捎带”着发送出去，把本来两个TCP数据报整合成一个发送。一般的，这个时间是200ms。可以明显地看到这个策略可以把TCP数据报的利用率提高很多。

1.2.Nagle算法

上过bbs的人应该都会有感受，就是在网络慢的时候发贴，有时键入一串字符串以后，经过一段时间，客户端“发疯”一样突然回显出很多内容，就好像数据一下子传过来了一样，这就是Nagle算法的作用。

Nagle算法是说，当主机A给主机B发送了一个TCP数据报并进入等待主机B的ACK数据报的状态时，TCP的输出缓冲区里面只能有一个TCP数据报，并且，这个数据报不断地收集后来的数据，整合成一个大的数据报，等到B主机的ACK包一到，就把这些数据“一股脑”的发送出去。虽然这样的描述有些不准确，但还算形象和易于理解，我们同样可以体会到这个策略对于低减网络负担的好处。

在编写插口程序的时候，可以通过TCP_NODELAY来关闭这个算法。并且，使用这个算法看情况的，比如基于TCP的X窗口协议，如果处理鼠标事件时还是用这个算法，那么“延迟”可就非常大了。

2.TCP的成块数据流

对于FTP这样对于数据吞吐量有较高要求的要求，将总是希望每次尽量多的发送数据到对方主机，就算是有点“延迟”也无所谓。TCP也提供了一整套的策略来支持这样的需求。TCP协议中有16个bit表示“窗口”的大小，这是这些策略的核心。

2.1.传输数据时ACK的问题

在解释滑动窗口前，需要看看ACK的应答策略，一般来说，发送端发送一个TCP数据报，那么接收端就应该发送一个ACK数据报。但是事实上却不是这样，发送端将会连续发送数据尽量填满接受方的缓冲区，而接受方对这些数据只要发送一个ACK报文来回应就可以了，这就是ACK的累积特性，这个特性大大减少了发送端和接收端的负担。

2.2.滑动窗口

滑动窗口本质上是描述接受方的TCP数据报缓冲区大小的数据，发送方根据这个数据来计算自己最多能发送多长的数据。如果发送方收到接受方的窗口大小为0的TCP数据报，那么发送方将停止发送数据，等到接受方发送窗口大小不为0的数据报的到来。书中的P211和P212很好的解释了这一点。

关于滑动窗口协议，书上还介绍了三个术语，分别是：

1. 窗口合拢：当窗口从左边向右边靠近的时候，这种现象发生在数据被发送和确认的时候。
2. 窗口张开：当窗口的右边沿向右边移动的时候，这种现象发生在接受端处理了数据以后。
3. 窗口收缩：当窗口的右边沿向左边移动的时候，这种现象不常发生。

TCP就是用这个窗口，慢慢的从数据的左边移动到右边，把处于窗口范围内的数据发送出去（但不用发送所有，只是处于窗口内的数据可以发送。）。这就是窗口的意义。图20-6解释了这一点。窗口的大小是可以通过socket来制定的，4096并不是最理想的窗口大小，而16384则可以使吞吐量大大的增加。

2.3.数据拥塞

上面的策略用于局域网内传输还可以，但是用在广域网中就可能会出现问题，最大的问题就是当传输时出现了瓶颈（比如说一定要经过一个slip低速链路）所产生的大量数据堵塞问题（拥塞），为了解决这个问题，TCP发送方需要确认连接双方的线路的数据最大吞吐量是多少。这，就是所谓的拥塞窗口。

拥塞窗口的原理很简单，TCP发送方首先发送一个数据报，然后等待对方的回应，得到回应后就把这个窗口的大小加倍，然后连续发送两个数据报，等到对方回应以后，再把这个窗口加倍（先是2的指数倍，到一定程度后就变成现行增长，这就是所谓的慢启动），发送更多的数据报，直到出现超时错误，这样，发送端就了解到了通信双方的线路承载能力，也就确定了拥塞窗口的大小，发送方就用这个拥塞窗口的大小发送数据。要观察这个现象是非常容易的，我们一般在下载数据的时候，速度都是慢慢“冲起来的”

以上就是TCP数据传输的大致流程，虽然并不细致，但是足以描述TCP的工作原理，重点是TCP的流量控制原理，滑动窗口，拥塞窗口，ACK累计确认等知识点。

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滑动窗口详解：

TCP 滑动窗口（发送窗口和接收窗口）

TCP的滑动窗口主要有两个作用，一是提供TCP的可靠性，二是提供TCP的流控特性。同时滑动窗口机制还体现了TCP面向字节流的设计思路。

TCP的Window是一个16bit位字段，它代表的是窗口的字节容量，也就是TCP的标准窗口最大为2^16-1=65535个字节。

另外在TCP的选项字段中还包含了一个TCP窗口扩大因子，option-kind为3，option-length为3个字节，option-data取值范围0-14。窗口扩大因子用来扩大TCP窗口，可把原来16bit的窗口，扩大为31bit。

滑动窗口基本原理

1）对于TCP会话的发送方，任何时候在其发送缓存内的数据都可以分为4类，“已经发送并得到对端ACK的”，“已经发送但还未收到对端ACK的”，“未发送但对端允许发送的”，“未发送且对端不允许发送”。“已经发送但还未收到对端ACK的”和“未发送但对端允许发送的”这两部分数据称之为发送窗口（中间两部分）。

当收到接收方新的ACK对于发送窗口中后续字节的确认是，窗口滑动，滑动原理如下图。

当收到ACK=36时窗口滑动。

2）对于TCP的接收方，在某一时刻在它的接收缓存内存在3种。“已接收”，“未接收准备接收”，“未接收并未准备接收”（由于ACK直接由TCP协议栈回复，默认无应用延迟，不存在“已接收未回复ACK”）。其中“未接收准备接收”称之为接收窗口。

发送窗口与接收窗口关系

TCP是双工的协议，会话的双方都可以同时接收、发送数据。TCP会话的双方都各自维护一个“发送窗口”和一个“接收窗口”。其中各自的“接收窗口”大小取决于应用、系统、硬件的限制（TCP传输速率不能大于应用的数据处理速率）。各自的“发送窗口”则要求取决于对端通告的“接收窗口”，要求相同。

滑动窗口实现面向流的可靠性

最基本的传输可靠性来源于“确认重传”机制。

TCP的滑动窗口的可靠性也是建立在“确认重传”基础上的。

发送窗口只有收到对端对于本段发送窗口内字节的ACK确认，才会移动发送窗口的左边界。

接收窗口只有在前面所有的段都确认的情况下才会移动左边界。当在前面还有字节未接收但收到后面字节的情况下，窗口不会移动，并不对后续字节确认。以此确保对端会对这些数据重传。

滑动窗口的流控特性

TCP的滑动窗口是动态的，我们可以想象成小学常见的一个数学题，一个水池，体积V，每小时进水量V1，出水量V2。当水池满了就不允许再注入了，如果有个液压系统控制水池大小，那么就可以控制水的注入速率和量。这样的水池就类似TCP的窗口。应用根据自身的处理能力变化，通过本端TCP接收窗口大小控制来对对对端的发送窗口流量限制。

应用程序在需要（如内存不足）时，通过API通知TCP协议栈缩小TCP的接收窗口。然后TCP协议栈在下个段发送时包含新的窗口大小通知给对端，对端按通知的窗口来改变发送窗口，以此达到减缓发送速率的目的。

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