协议森林图说TCP之滑动窗口和拥塞窗口

Posted 2020-12-21

我们大部分业务都建立在TCP之上，而且都经过框架层层的封装，让人很难看清其中的奥妙。但在和外部机构（如银行）交互的过程中，有很多采用的是自研的基于TCP的协议。此时无法依赖框架，我们就只能自己去编写基于TCP的代码，如果充分了解TCP的种种特性，和他们对接起来就会事半功倍。相信大家在开发TCP代码的过程中，也肯定了解了粘包、长短连接这些概念。粘包和TCP窗口有关、长短连接性能优劣和TCP传输策略有关。这篇文章着重介绍TCP窗口。

TCP发送窗口由slide_window（滑动窗口）、congestion_window（拥塞窗口）两者决定，代码如下（4.4BSD-Lite2）：

滑动窗口

上面的snd_wnd、snd_una、snd_nxt三个字段组成了滑动窗口。 如下图所示

发送窗口

发送端窗口随时间滑动图（不考虑重传）例如下所示：

图2 发送窗口随时间滑动图
（1）我们一共需要发送900字节数据。可发送数据为1-500字节，尚未发送数据。假设首先发送400字节的数据。
（2）发送了400字节后，对端返回一个ack表示收到200序号之内的数据且窗口通告为500。于是如图示，窗口向前滑动了200字节。当前已发送未确认字节序号为200-400,可发送字节序号为401-700,假设在此尚未发送数据。
（3）对端返回一个ack表示收到400序号内的数据且窗口通告为400。于是如图示，窗口向前滑动了200字节。已确认数据序号为1-400，可发送数据为401-800。

接收窗口

snd_wnd此字段主要由接收端的窗口通告决定，接收端窗口通告由当前接收端剩余多少空闲的剩余缓存决定。如下图所示：

图3 接收窗口通告

（1）发送端：写入2KB的数据[seq=0]。
（2）接收端：收到数据,初始化接收端缓冲区4K,写入后还剩2K,于是通告ack[seq=2048,win=2048]。
（3）发送端：接收到窗口通告为2048,于是最多只能写入2K的数据，将2K数据写入[seq=2048]。
（4）接收端：应用层尚未消费缓冲区。接收到2K数据后，缓冲区满。于是通告窗口为0,返回ack[seq=4096,win=0]。
（5）发送端：由于发送窗口为0，不能发送任何数据。此时发送端就需要定时的发送0字节的数据去探测接收端窗口。所需的定时器即为持续定时器（TCPT_PERSIST）。
（6）发送端：发送0字节的探测数据。
（7）接收端：缓冲区满,窗口通告为0,ack[seq=4096,win=0]。
（8）发送端：继续发送0字节的探测数据。
（9）接收端：缓冲区被应用层消费了2K,缓冲区可用字节为2K,通告窗口为2048,ack[seq=4096,win=2048]。
（10）发送端：继续写入1K的数据。

拥塞窗口

TCP用拥塞窗口（cwnd）来进行拥塞控制，主要利用了慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复这四个算法。

慢启动和拥塞避免

拥塞避免算法和慢启动算法是两个目的不同、独立的算法。慢启动的目的是:防止一开始速率过快，导致耗尽中间路由器存储空间，从而严重降低TCP连接的吞吐量。拥塞避免的目的是:当拥塞发生时，降低网络的传输速率。这可以通过调用慢启动的动作来降低网络的传输速率。所以在实际中这两个算法通常在一起实现。

下述代码描述的是慢启动的过程（4.4BSD-Lite2）。

其将win置为现有窗口的大小,同时慢启动门限tp->snd_ssthresh设置为现有窗口大小的一半。snd_cwnd（拥塞窗口）被设定为只能容纳一个报文t_maxseg)，这样就强迫TCP执行慢启动。之后拥塞窗口会先以指数形式增长，达到慢启动门限snd_ssthressh之后,再线性增长。

线性增长的过程即是拥塞避免算法。

此过程如以下代码注释所示（4.4BSD-Lite2）：

慢启动图例：

图中Cwnd指数增长的阶段,即从1到ssthresh时间段是过程是慢启动。
图中Cwnd线性增长的阶段,即从ssthresh到max的时间段是拥塞避免的过程。

值得注意的是，TCP连接刚建立时刻也会有慢启动的过程。如果用的是短连接(即发送一个请求之后即抛弃此连接)且发送数据较少的话，大部分时间都耗在了慢启动上面，并没有充分的利用带宽。再加上建立连接所需要三次握手的消耗,导致短连接的效率要远低于长连接。

快速重传和快速恢复

• 快速重传和快速恢复算法各自独立，但一般都在一起实现。
• 快速重传：在接收到相同ACK后，推断出丢失报文段起始序号，然后立即重传此报文
  快速恢复：在快速重传的基础上，如果发生了快速重传，则执行拥塞避免算法而非慢启动。
  快速重传和快速恢复图例：
  
  图5 快速重传和快速恢复
  从上图中我们可以看到，快速恢复的时候tcp窗口仅仅降低到ssthresh而后线性增加，即只进行了拥塞避免算法。

TCP粘包

经过上述讨论，可知TCP窗口的大小取决于当前的网络状况、对端的缓冲大小等等因素，TCP将这些都从底层屏蔽。开发者无法从应用层获取这些信息。这就意味着，当你在接收TCP数据流的时候无法知道当前接收了有多少数据流，数据可能在任意一个比特位（seq）上。这就是所谓的"粘包"问题。开发者必须小心的组织帧格式来解决"粘包"。

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