Linux TCP滑动窗口代码简述

Posted 2020-10-22 AISEED

前言：TCP的可靠性大致通过3类方法来保障：1.确认和重传。2.流量控制。3.拥塞避免。其中的流量控制中使用的滑动窗口，使得TCP的发送方和接收方速度得以匹配，从而为传输提供了可靠性支撑。本篇就介绍一下滑动窗口在Linux的大致代码，对于滑动窗口的基本知识已经有无数优秀的文章，更有TCP/IP卷一可参考，本篇不再赘述。代码基于 Linux 2.6.32。

1. 背景问题介绍

我们知道TCP是有确认机制的，就是对于发送方发送的每个字节，接收方都会显式的进行确认（连续确认实际也是确认了每个字节）。那么仔细想象一下，该如何处理这个确认过程呢？比如，sender发送完一定数据后，停下来等待receiver的确认，然后再继续发送，再继续等待... 因此这里存在一个传输效率的问题。

接着再想另外一个问题，如果发送端的发送速度快，而接收端的接收速度慢，此时，如果不能协调收发速度，将会导致接收不及时丢包，进而加重重传，丢更多的包，引发网络雪崩。

上面两个问题基本就是滑动窗口诞生要解决的问题，即提高传输效率和流量控制的功能。

2. 流量控制简单过程

TCP的流量控制主要是协调收发的速度，在发送端维护着发送和接收窗口，同样的，在接收端，也同样如此。在说具体的操作之前，先说几个相关的概念：发送队列，接收队列，重传队列，滑动窗口，发送窗口，拥塞窗口，通告窗口。

2.1 概念解释

• 发送队列——我们知道协议栈在发送报文的时候，是要先放入到发送队列的，每个打开的socket都维护着一个接收队列和发送队列。
• 重传队列——当报文从发送队列被发送后，会拷贝一份放到重传队列，重传队列用于超时定时器到期后，进行重传。
• 滑动窗口——滑动窗口是一个可以滑动的区间。在发送时，通常就是指发送窗口；在接收时，就是指接收窗口。滑动窗口是一种提高传输效率的机制，因此在发送和接收过程中都有。
• 拥塞窗口——因为TCP有拥塞避免机制，因此引出了一个拥塞窗口，他也是一个限制发送速度的东西，当出现拥塞的时候，调节发送窗口大小。通常发送窗口是取拥塞窗口和通告窗口的较小值。
• 通告窗口——通告窗口是接收端传递给发送端的一个窗口值，表示接收端还有多大空余空间接收数据。所以，发送端的发送窗口就是根据通告窗口进行调节，使发送和接收速度匹配。

2.2 发送和接收

• 当有数据需要发送时，会把数据挂在这个socket的发送队列中，在linux中这个队列使用的是双向链表实现的

  struct sk_buff_head {
  /* These two members must be first. */
  struct sk_buff  *next;
  struct sk_buff  *prev;
  
  __u32       qlen;
  spinlock_t  lock;
  };

  TCP接收报文的函数为tcp_v4_do_rcv()，当建立连接后，接收处理的函数为tcp_rcv_established()，进来后，会进行fast path和slow path的区分处理，快通道和慢通道是由首部预测来确认的，首部预测用于提高TCP的处理速度。通常网络上大多数报文都会走fast path，看处理细节

  if (len == tcp_header_len) 
  {
  /* Predicted packet is in window by definition.
   * seq == rcv_nxt and rcv_wup <= rcv_nxt.
   * Hence, check seq<=rcv_wup reduces to:
   */
  if (tcp_header_len ==
      (sizeof(struct tcphdr) + TCPOLEN_TSTAMP_ALIGNED) &&
      tp->rcv_nxt == tp->rcv_wup)
      tcp_store_ts_recent(tp);
  
  /* We know that such packets are checksummed
   * on entry.
   */
  tcp_ack(sk, skb, 0);
  __kfree_skb(skb);
  tcp_data_snd_check(sk);
  return 0;
  }

  那么就进行ack报文的处理tcp_ack()，在这个函数中，会更新发送窗口，使窗口右移，这样就会有新的报文可以被发送，tcp_data_snd_check(sk);就把这些报文发送出去。
  最后调用tcp_write_xmit(),其函数说明如下：

  This routine writes packets to the network. It advances the
  send_head. This happens as incoming acks open up the remote
  window for us.

可以看出，这个确实是用于发送窗口扩大后的报文。从这里可以看出TCP报文的发送在窗口机制下是由接收的ack来

• 当有数据需要接收时，依然看tcp_rcv_established()函数，先检查是否满足快速路径，如果没有乱序的话，就是这样。

if (tp->copied_seq == tp->rcv_nxt &&
                len - tcp_header_len <= tp->ucopy.len) {
#ifdef CONFIG_NET_DMA
                if (tcp_dma_try_early_copy(sk, skb, tcp_header_len)) {
                    copied_early = 1;
                    eaten = 1;
                }
#endif
                if (tp->ucopy.task == current &&
                    sock_owned_by_user(sk) && !copied_early) {
                    __set_current_state(TASK_RUNNING);

                    if (!tcp_copy_to_iovec(sk, skb, tcp_header_len))
                        eaten = 1;
                }

然后就把报文从内核态拷贝到用户态，如果拷贝成功，标志成eaten = 1;接下来就是计算RTT以及更新接收的序列号。

if (eaten) 
{
    /* Predicted packet is in window by definition.
     * seq == rcv_nxt and rcv_wup <= rcv_nxt.
     * Hence, check seq<=rcv_wup reduces to:
     */
    if (tcp_header_len ==
        (sizeof(struct tcphdr) +
         TCPOLEN_TSTAMP_ALIGNED) &&
        tp->rcv_nxt == tp->rcv_wup)
        tcp_store_ts_recent(tp);

    tcp_rcv_rtt_measure_ts(sk, skb);

    __skb_pull(skb, tcp_header_len);
    tp->rcv_nxt = TCP_SKB_CB(skb)->end_seq;
    NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCphpHITSTOUSER);
}

如果没有拷贝成功，那么就把报文放在接收队列中，同时更新RTT，失败的原因比如用户报文数据长度比用户空间缓存的剩余量大等。

if (!eaten) 
{
    if (tcp_checksum_complete_user(sk, skb))
        goto csum_error;

    /* Predicted packet is in window by definition.
     * seq == rcv_nxt and rcv_wup <= rcv_nxt.
     * Hence, check seq<=rcv_wup reduces to:
     */
    if (tcp_header_len ==
        (sizeof(struct tcphdr) + TCPOLEN_TSTAMP_ALIGNED) &&
        tp->rcv_nxt == tp->rcv_wup)
        tcp_store_ts_recent(tp);

    tcp_rcv_rtt_measure_ts(sk, skb);

    if ((int)skb->truesize > sk->sk_forward_alloc)
        goto step5;

    NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPHPHITS);

    /* Bulk data transfer: receiver */
    __skb_pull(skb, tcp_header_len);
    __skb_queue_tail(&sk->sk_receive_queue, skb);
    skb_set_owner_r(skb, sk);
    tp->rcv_nxt = TCP_SKB_CB(skb)->end_seq;
}

最后检查一下是否需要发送ack报文或者是sack报文。

if (!copied_early || tp->rcv_nxt != tp->rcv_wup)
                __tcp_ack_snd_check(sk, 0);

另外一个是如果出现乱序等，快速路径没有满足条件，则走慢速路径，在慢速路径中会有把报文放入乱序队列等操作，具体不表了。

tcp_data_queue(sk, skb);

之后，用户进程通过recv读操作，把报文从接收队列中读取报文,在tcp_recvmsg可以看其过程：

skb_queue_walk(&sk->sk_receive_queue, skb) 
{
    /* Now that we have two receive queues this
     * shouldn‘t happen.
     */
    if (WARN(before(*seq, TCP_SKB_CB(skb)->seq),
         KERN_INFO "recvmsg bug: copied %X "
               "seq %X rcvnxt %X fl %X\n", *seq,
               TCP_SKB_CB(skb)->seq, tp->rcv_nxt,
               flags))
        break;

    offset = *seq - TCP_SKB_CB(skb)->seq;
    if (tcp_hdr(skb)->syn)
        offset--;
    if (offset < skb->len)
        goto found_ok_skb;
    if (tcp_hdr(skb)->fin)
        goto found_fin_ok;
    WARN(!(flags & MSG_PEEK), KERN_INFO "recvmsg bug 2: "
            "copied %X seq %X rcvnxt %X fl %X\n",
            *seq, TCP_SKB_CB(skb)->seq,
            tp->rcv_nxt, flags);
}

3. 总结

TCP的滑动窗口的流量控制是通过协调发送方和接收方的速度来实现的，具体来说，就是发送方窗口是由接收方回的ack驱动的，也就是说发送方要能持续发送包需要持续接收ack。另一个方面，接收方在读取报文后，发送ack进行响应，循环进行接收。这个过程通过驱动窗口的可持续滑动，进而实现了流量控制和提高传输效率。