4-6：TCP协议之滑动窗口

Posted 2021-08-28 快乐江湖

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• 一：滑动窗口
• 二：滑动窗口格式详解
• • （1）发送方的滑动窗口
  • （2）接受方滑动窗口

本文大部分内容来自小林coding《图解网络》，感谢分享，简单整理。

一：滑动窗口

在前面的讲解中，我们知道TCP是每发送一个数据都要进行依次确认应答，当上一个数据包收到ACK了，才会发送下一个，这种逻辑类似于我和你面对面聊天，我说一句你回一句，其实大家可以发现这种方式效率是十分低下的，放在TCP中也是如此，客户端和服务端数据交互量非常大，如果按照这种速度那显然不合理。

所以采用这种方式的弊端很大：数据包往返的时间很长，通信效率极低

因此，为了解决这样的问题，TCP中引入了窗口这个概念，以保证即使在往返时间较长的情况下，也不会降低网络通信的效率。
有了窗口就可以指定窗口大小，所谓窗口大小就是指无需等待确认应答，而可以继续发送数据的最大值

• 窗口的实现实际上是操作系统开辟的一个缓存空间，发送刚主机在等到ACK返回之前，必须在缓冲区中保留已经发送的数据，如果按期收到ACK，那么数据就可以从缓冲区中清除

如下图，假设窗口大小为3个TCP端，那么发送方就可以连续发送3个TCP，并且途中若有ACK丢失，则可以通过下一个确认应答进行确认

• 上图中的ACK600确认应答报文丢失也没有关系，因为可以通过下一个确认应答进行确认，只要发送方收到了ACK700确认应答，就意味着700之前的所有数据接收方都已经收到了。这个模式叫做累计确认或累计应答

前面说过TCP头部中有一个字段就是窗口大小

该字段是接受端告诉发送端自己还有多少缓冲区可以接受数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据，而不会导致接收端处理不过来。
所以，通常窗口的大小是由接收方的窗口大小决定的，发送方发送的数据大小可以超过接收方的窗口大小，否则接收方就无法正常接收到数据

二：滑动窗口格式详解

（1）发送方的滑动窗口

如下是发送方缓存的数据，根据处理的情况可以分为四个部分。

• #1是已经发送并收到ACK确认的数据
• #2是已经发送但没有收到ACK确认的数据
• #3是没有发送但总大小在接收方处理范围（接收方还有空间）的数据
• #4上是没有发送但总大小超过接收方处理范围（接收方没有空间）的数据

如下图，如果发送方把数据全部一下子发出去之后，可用窗口就变为0了，表示可用窗口用尽，在没有收到ACK之前无法继续发送数据

接着，当收到之前发送的数据的ACK时，比如下面的32-36字节ACK之后，如果发送窗口大小没有变化，则滑动窗口右移5个字节，因为有5个字节已经被ACK。接着52-56字节就又成为了可用窗口，那么后序黄色范围的数据也就可以又发送了

上面只是宏观上面的描述，那么程序是如何描述这样的操作的呢？
实际上，TCP滑动窗口使用三个指针来跟踪在4个传输类别中的每一个类别的字节，其中两个指针是绝对指针（指特定的序列号），一个是相对指针（需要做偏移）

• SND.WND：表示发送窗口的大小（由接收方指定）
• SND.UNA：是一个绝对指针，指向已发送但没有收到确认的第一个字节的序列号
• SND.NXT：是一个绝对指针，指向没有发送但在可发送范围内的第一个字节的序列号
• 指向#4的是一个相对指针，它需要SND.UNA指针加上SUND.WND大小的偏移量

因此可用窗口大小=SND.WND-（SND.NXT-SND.UNA）

（2）接受方滑动窗口

如下是接收方滑动窗口格式，相对发送方要简单一些

• #1，#2是已成功接收并确认的数据（等待应用层读取）
• #3是没有收到但可以接受的数据
• #4是没有收到但不可以接受的数据

这几个部分由如下指针指向

• RCV.WND：表示接收窗口大小，它会告知给发送方
• RCV.NXT：是一个指针，它指向期望从发送方接受来的下一个数据字节的序列号，也就是#3的第一个字节
• 指向#4的第一个字节是一个相对指针，需要RCV.NXT指针加上RCV.WND大小的偏移量