TCP 其他 7 大特性滑动窗口机制▲

Posted 2022-11-29 一朵花花

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了TCP 其他 7 大特性滑动窗口机制▲相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

前言: 上篇，我们写了 TCP 的三大特性，本篇将 TCP 的其他7大特性进行讲述！

4.滑动窗口机制

认识滑动窗口

一发一收的方式： TCP 协议需要对数据进行确认后，才可以发送下一个数据包，如图：

如上图，发送端每发送一个数据包，都需要得到接收端的确认应答以后，才可以发送下一个数据包，是一问一答的串行过程；即每次传输数据都需要等待一个对应的等待时间，那么传输 N 份数据，就需要等待 N 次应答时间，总的传输时间：N 份数据传输时间 + N 份应答传输时间

一发一收的方式性能较低，那么我们一次发送多条数据，就可以大大的提高性能(其实是将多个段的等待时间重叠在一起了)，如图：

滑动窗口本质上是批量传输数据
总的传输时间：N 份数据传输时间重叠成了一份时间，N 份应答传输时间重叠成了一份时间
相当于把多份数据的传输时间和等待 ACK 的时间压缩成一份了，总的等待时间少了，传输效率也就高了

窗口

窗口大小: 不等待 ACK 的情况下，批量发送的最大数据量，就叫"窗口大小" (如上图，就是4000个字节，4个字段)

发送前四个字段的时候，不需要等待任何 ACK，直接发送；
收到第一个ACK后，滑动窗口向后移动，继续发送第五个字段的数据，依次类推；
操作系统内核为了维护这个滑动窗口；需要开辟发送缓冲区来记录当前还有哪些数据没有应答；只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉；
窗口越大，则网络的吞吐率就越高

滑动：

窗口范围内的数据是在等待这些数据的 ACK (已经被发送出去)

如上图，当发送方收到 2001 的 ACK，意味着 1001 - 2000 的数据对方已经接收，此时立刻继续传输 5001 - 6000 的数据，则等待 ACK 的数据包的序号就是 2001，3001，4001，5001

丢包问题处理

丢包的两种情况如图：

情况1: 确认应答 (ACK) 丢包
不需要进行额外的处理；在这种情况下，部分 ACK 丢了并不要紧，因为可以通过后续的 ACK进行确认

理解"确认序号"的含义
从当前序号开始，前面的数据都已经正确到了
如上图，是 1001 的 ACK 丢失，2001 的 ACK 没丢，此时，发送方收到 2001 之后，就会认为 1 - 1000 这个数据也是顺利到达的，1001 丢了无所谓，2001 的 ACK 能够包含 1001 ACK 中的信息

情况2: 数据包丢失

如下图，若是 1001-2000 丢失，然后 2001-3000，3001-4000 等后边的几个数据都顺利到达，此时主机 B 反馈的 ACK 的确认序号始终是 1001；
此时若主机 A 发现连续几个 ACK 都是1001，主机 A 就知道，1001 这个数据丢失，就会重传 1001
在重传 1001 之前，收到的确认序号都是 1001
当主机 B 收到 1001 这个数据的时候，由于 2001-7000 这些数据前边已经收到过，接下来的 ACK 就从 7001 开始
此处的重传，只是重传丢了的数据，其他数据不需要额外重传—— 快速重传(搭配滑动窗口下的超时重传)

"乱序"传输:

5.流量控制

流量控制: 根据接收方的处理能力来反向制衡发送方的发送效率(窗口大小) (通过接收缓冲区的 “剩余空间大小” 来决定发送方的速率)

窗口大小不能无限大，传输速率太快，接收方可能处理不过来
在使用滑动窗口机制进行数据传输时，发送方根据实际情况发送数据包，接收端接收数据包；由于接收端处理数据包的能力是不同的，因此可能出现两种情况：

若窗口过小，发送端发送少量的数据包，接收端很快就处理了，并且还能处理更多的数据包；当传输比较大的数据时需要不停地等待发送方，就会造成很大的延迟
若窗口过大，发送端发送大量的数据包，而接收端处理不了这么多的数据包，就会堵塞链路；若丢弃这些本应该接收的数据包，又会触发重发机制

(第一次的窗口大小是根据链路带宽的大小来决定的) ，发送数据包，接收端接收这些数据包，并返回确认应答包，告诉发送端自己下次希望收到的数据包是多少（新的窗口大小），发送端收到确认应答包以后，将以该窗口大小进行发送数据包

接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 “窗口大小” 字段，通过 ACK 端通知
发送端
窗口大小字段越大，说明网络的吞吐量越高
接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端
发送端接受到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度
如果接收端缓冲区满了，就会将窗口置为0；这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送
一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端

如下图:

图解:

假设初始窗口大小为4000，发送端发送 4 个数据包，分别为 1-1000，1001-2000，2001-3000 和 3001-4000
接收端接收数据包，接收到 1-1000 数据包之后，设置窗口大小为 3000，告诉发送端自己现在只能处理 3 个数据包，下一次请发送 3 个数据包
发送端接收到确认应答包，查看到接收端返回窗口大小为 3000，知道接收端处理了 1 个数据包；接着继续发送: 1001-2000，2001-3000 和 3001-4000
接收方收到之后，缓冲区只能处理 2 个数据包，发过去的第 3 个数据包 3001-4000 没有被处理；这说明此时接收端只能处理 2 个数据包，第 3 个数据包还需要重新发送
当窗口为 0 时，发送方会暂停发送，也会定时发送一个探测报文；因为接收缓冲区的数据随时可能被取走，一旦取走，就可以接收新的数据（滑动窗口大小是动态变化的）

窗口探测:

6.拥塞控制 (安全机制)

拥塞控制是考虑网络传输路径上的拥堵程度

虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器，能够高效可靠的发送大量的数据；但是如果在刚开始阶段就发送大量的数据，仍然可能引发问题；因为网络上有很多的计算机，可能当前的网络状态就已经比较拥堵，在不清楚当前网络状态下，贸然发送大量的数据，是很有可能雪上加霜
因此，TCP引入 慢启动 机制，先发少量的数据，探探路，摸清当前的网络拥堵状态，再决定按照多大的速度传输数据

线增积减 (和式增加，积式减少)

像上面这样的拥塞窗口增长速度，是指数级别的，“慢启动” 只是指初使时慢，但是增长速度非常快，具体的增长如下图:

刚开始的时候从1指数增长，到达阈值后开始线性增长，如果出现网络阻塞，直接减小到初始值，然后再次指数增长到达新的阈值(新阈值为上次阻塞窗口大小的一半)，再次线性增长直到网络阻塞，一直这样动态变换循环

为啥要动态变化？？
网络的拥堵情况是瞬息万变的，我们要随时根据网络的实际情况进行动态调整 (随时适应网络的变化过程)
(数学推导)

7.延迟应答 (效率机制)

目的是为了提高效率，在流量控制的基础上，尽量返回一个合理但又比较大的窗口

在前面我们提到，在发送端发送数据后，接收数据的主机需要返回 ACK应答，此时若立刻返回，窗口可能比较小 (因为缓冲区的数据只处理了一部分)，所以 TCP 采用了延迟应答机制，举例：

不带延迟应答:
有一个超市，假设泡面库存最多存放100箱，当前已经存了80箱，空余20箱；
第二天一早，送货小哥来问：“老板，你明天需要多少面？”
老板：“你最多送20箱就行。”

带延迟应答:
第二天一早，送货小哥来问：“老板，你明天需要多少面？”
老板：“我晚上的时候打电话告诉你需要多少。”
(可能白天又卖出了10箱，第二天最多送10箱即可)

延时应答其实就是让 ACK 的发送时间晚一会儿 (不影响可靠性的前提下)
延迟的时间中就会给应用程序提供更多的消费数据的机会，此时时间到了，再发送 ACK 的时候，得到的窗口大小(接收缓冲区的剩余空间就会更大一些)

窗口越大，网络吞吐量就越大，传输效率就越高；我们的目标是在保证网络不拥塞的情况下尽量提高传输效率

问：所有的包都可以延迟应答么?

肯定不是
.
1.数量限制: 每隔 N 个包就应答一次 (N一般为2)
2.时间限制: 超过最大延迟时间就应答一次 (时间一般取200 ms，延迟应答的等待时间不能超过超时重传的时间，不然就重传了)

8.捎带应答 (效率机制)

在延迟应答的基础上，为了进一步提高程序运行效率而引入的机制

在很多情况下，客户端和服务器的通信模式一般都是 Request - Response 模式，即 “一问一答”
如图:

注意:
三次握手中间的 SYN 和 ACK 都是由内核决定的，不涉及不同的时机
上述提到的四次挥手的过程，ACK 是内核决定的，发的 FIN (close方法) 是应用程序代码决定的

9.粘包问题

严格说，粘包问题不是 TCP 自身的机制，而是面向字节流传输所具备的共性问题
粘包，指粘的是应用层数据包，导致数据在处理的时候，容易读取半个应用层数据包

面向字节流: 指的是一次读一个字节，或者一次读两个字节，或者一次读 N 个字节都行

举例： 双方建立连接，需要在连接后一段时间内发送不同结构数据，如连接后，有好几种结构

“你好不好”
“好个P”

读多少个字节才是一个完整的应用层数据报，这个是不清楚的
若一次读一个汉字，读出来就是 “好”；若一次读三个汉字，读出来就是 “好个P”
读法不一样，最终的含义差异也很大；读取应用层数据，就不应该只读半个包

如何避免粘包问题？

归根结底就是一句话，明确两个包之间的边界
TCP 协议本身不帮你区分应用层数据包，相对而言，UDP 协议没这个问题 (UDP 协议就是按照数据包为单位进行收发的)

方式1 - 使用分隔符

比如，上述回答改为 “好个P；”

用分号；当做两个包的分隔符，读数据，一直读到分号；才认为是一个完整的应用层数据包
应用层协议，是程序猿自己来定的，只要保证分隔符不和正文冲突即可**

方式2 - 明确包的长度

比如，上述用例改为 “4你好不好3好个P”

先读取最开始的四个字节，得到包的长度3；继续读取3个汉字，于是就读取一个完整的包

HTTP 协议基于 TCP 的应用层协议，自己就会处理好粘包问题，上述两种方式都使用到了:
.
对于 GET 请求，分隔符就是空行
对于 POST 请求，Content-length 来指定包的长度

思考： 对于UDP协议来说，是否也存在 “粘包问题” 呢？

对于UDP，如果还没有上层交付数据，UDP的报文长度仍然在。同时，UDP是一个一个把数
据交付给应用层；就有很明确的数据边界
站在应用层的站在应用层的角度，使用UDP的时候，要么收到完整的UDP报文，要么不收；
不会出现"半个"的情况

10.保活机制

双方建立交互的连接，并不是一直存在数据交互，有些连接会在数据交互完毕后，主动释放连接，而有些不会，那么在长时间无数据交互的时间段内，交互双方都有可能出现掉电、死机、异常重启，还是中间路由网络无故断开、NAT超时等各种意外

在这些 “异常情况” 下，TCP 对于连接会有一些特殊的处理
举例：
1.进程崩溃: 这种情况，TCP 连接会正常四次挥手 (只要是进程退出，都会自动关闭相关的文件)
2.主机关机(按照流程关机)： 关机的时候会强制先杀进程，杀进程过程之中就要进行四次挥手了
3.主机断电 / 网线断开:

a) 接收方断电
对端尝试发送消息的时候，就会出现没有 ACK 的情况 — 于是就会触发超时重传 — 重传一定次数，就会重置连接 — 放弃连接
b) 发送方断电
对端尝试接收消息，对于接收端来说，本来也不知道发送方什么时候发送，难道就一直等吗？
解决方案 — 心跳包 TCP 的通信双方，即使在没有数据交互的过程中，也会定时相互传输一个没有数据业务意义的 “心跳包”，只是为了证明 “我活着”，一旦隔了一段时间都没有收到对方的心跳包，就可以认为对端"挂"了