TCP滑动窗口（Sliding Window）原理

Posted 2021-10-19 qlexcel

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TCP的优势

从传输数据来讲，TCP/UDP以及其他协议都可以完成数据的传输，从一端传输到另外一端，TCP比较出众的一点就是提供一个可靠的，流控的数据传输，所以实现起来要比其他协议复杂的多，先来看下这两个修饰词的意义：

1. Reliability ，提供TCP的可靠性，TCP的传输要保证数据能够准确到达目的地，如果不能，需要能检测出来并且重新发送数据。
2. Data Flow Control，提供TCP的流控特性，管理发送数据的速率，不要超过设备的承载能力

为了能够实现以上2点，TCP实现了很多细节的功能来保证数据传输，比如说 滑动窗口适应系统，超时重传机制，累计ACK等，这次先介绍一下滑动窗口的一些知识点。

滑动窗口引入

IP层协议属于不可靠的协议，IP层并不关系数据是否发送到了对端，TCP通过确认机制来保证数据传输的可靠性，在比较早的时候使用的是send–wait–send的模式，其实这种模式叫做stop-wait模式，发送数据方在发送数据之后会启动定时器，但是如果数据或者ACK丢失，那么定时器到期之后，收不到ACK就认为发送出现状况，要进行重传。这样就会降低了通信的效率，如下图所示，这种方式被称为 positive acknowledgment with retransmission (PAR)

滑动窗口

可以假设一下，来优化一下PAR效率低的缺点，比如我让发送的每一个包都有一个id，接收端必须对每一个包进行确认，这样设备A一次多发送几个片段，而不必等候ACK，同时接收端也要告知它能够收多少，这样发送端发起来也有个限制，当然还需要保证顺序性，不要乱序，对于乱序的状况，我们可以允许等待一定情况下的乱序，比如说先缓存提前到的数据，然后去等待需要的数据，如果一定时间没来就DROP掉，来保证顺序性！

在TCP/IP协议栈中，滑动窗口的引入可以解决此问题，先来看从概念上数据分为哪些类

1. Sent and Acknowledged：这些数据表示已经发送成功并已经被确认的数据，比如图中的前31个bytes，这些数据其实的位置是在窗口之外了，因为窗口内顺序最低的被确认之后，要移除窗口，实际上是窗口进行合拢，同时打开接收新的带发送的数据

2. Send But Not Yet Acknowledged：这部分数据称为发送但没有被确认，数据被发送出去，没有收到接收端的ACK，认为并没有完成发送，这个属于窗口内的数据。

3. Not Sent，Recipient Ready to Receive：这部分是尽快发送的数据，这部分数据已经被加载到缓存中，也就是窗口中了，等待发送，其实这个窗口是完全有接收方告知的，接收方告知还是能够接受这些包，所以发送方需要尽快的发送这些包

4. Not Sent，Recipient Not Ready to Receive： 这些数据属于未发送，同时接收端也不允许发送的，因为这些数据已经超出了发送端所接收的范围
   

对于接收端也是有一个接收窗口的，类似发送端，接收端的数据有3个分类，因为接收端并不需要等待ACK所以它没有类似的接收并确认了的分类，情况如下

1. Received and ACK Not Send to Process：这部分数据属于接收了数据但是还没有被上层的应用程序接收，也是被缓存在窗口内

2. Received Not ACK: 已经接收并，但是还没有回复ACK，这些包可能输属于Delay ACK的范畴了

3. Not Received：有空位，还没有被接收的数据。

发送窗口和可用窗口

对于发送方来讲，窗口内的包括两部分，就是发送窗口（已经发送了，但是没有收到ACK），可用窗口，接收端允许发送但是没有发送的那部分称为可用窗口。

1. Send Window ： 20个bytes 这部分值是有接收方在三次握手的时候进行通告的，同时在接收过程中也不断的通告可以发送的窗口大小，来进行适应

2. Window Already Sent: 已经发送的数据，但是并没有收到ACK。
   

滑动窗口原理

TCP并不是每一个报文段都会回复ACK的，可能会对两个报文段发送一个ACK，也可能会对多个报文段发送1个ACK【累计ACK】，比如说发送方有1/2/3 3个报文段，先发送了2,3 两个报文段，但是接收方期望收到1报文段，这个时候2,3报文段就只能放在缓存中等待报文1的空洞被填上，如果报文1，一直不来，报文2/3也将被丢弃，如果报文1来了，那么会发送一个ACK对这3个报文进行一次确认。

举一个例子来说明一下滑动窗口的原理：

1. 假设32~45 这些数据，是上层Application发送给TCP的，TCP将其分成四个Segment来发往internet

2. seg1 32~34 seg2 35~36 seg3 37~41 seg4 42~45 这四个片段，依次发送出去，此时假设接收端之接收到了seg1 seg2 seg4

3. 此时接收端的行为是回复一个ACK包说明已经接收到了32~36的数据，并将seg4进行缓存（保证顺序，产生一个保存seg3 的hole）

4. 发送端收到ACK之后，就会将32~36的数据包从发送并没有确认切到发送已经确认，提出窗口，这个时候窗口向右移动

5. 假设接收端通告的Window Size仍然不变，此时窗口右移，产生一些新的空位，这些是接收端允许发送的范畴

6. 对于丢失的seg3，如果超过一定时间，TCP就会重新传送（重传机制），重传成功会seg3 seg4一块被确认，不成功，seg4也将被丢弃

就是不断重复着上述的过程，随着窗口不断滑动，将真个数据流发送到接收端，实际上接收端的Window Size通告也是会变化的，接收端根据这个值来确定何时及发送多少数据，从对数据流进行流控。原理图如下图所示：

滑动窗口动态调整

主要是根据接收端的接收情况，动态去调整Window Size，然后来控制发送端的数据流量

1. 客户端不断快速发送数据，服务器接收相对较慢，看下实验的结果

a. 包175，发送ACK携带WIN = 384，告知客户端，现在只能接收384个字节

b. 包176，客户端果真只发送了384个字节，Wireshark也比较智能，也宣告TCP Window Full

c. 包177，服务器回复一个ACK，并通告窗口为0，说明接收方已经收到所有数据，并保存到缓冲区，但是这个时候应用程序并没有接收这些数据，导致缓冲区没有更多的空间，故通告窗口为0, 这也就是所谓的零窗口，零窗口期间，发送方停止发送数据

d. 客户端察觉到窗口为0，则不再发送数据给接收方

e. 包178，接收方发送一个窗口通告，告知发送方已经有接收数据的能力了，可以发送数据包了

f. 包179，收到窗口通告之后，就发送缓冲区内的数据了.

总结一点，就是接收端可以根据自己的状况通告窗口大小，从而控制发送端的接收，进行流量控制