直观明了的总结TCP滑动窗口机制原理及作用

Posted 2021-03-19 shen-qian

一. 原理

  TCP是全双工通信，因此每一方的滑动窗口都包括了接收窗口+发送窗口，接收窗口负责处理自己接收到的数据，发送窗口负责处理自己要发送出去的数据。滑动窗口的本质其实就是维护几个变量，通过这些变量将TCP处理的数据分为几类，同时在发送出一个报文、接收一个报文对这些变量做一定的处理维护。

 

 

  发送窗口如上图 : 

（1）N是发送窗口的起始字节，也就是说：字节序号 < N的字节都已经发送出去且已经收到ack，确认无误了；

（2）nextSeq就是下一次发送报文的首部Seq字段（Seq即第一个字节的序号，这些这里不讲了），表示字节序号在 [N,nextSeq)区间的都已经使用过，发送出去了，但是还未收到ack确认；

（3） N+size就是窗口的最后一个可用字节序号，size是发送窗口的大小，就是每次接收到的报文中的Win字段的值，Win字段其实就是对方接收窗口的大小。

 如何让维护这几个值呢？

（1）每接收到一个一个报文要做如下事情：检查接收报文的ack，将N 置为 ack，即往前移到ack这个值；读取报文中的Win字段值，即对方的最新接收窗口大小，从而更新N+size的值。

（2）每发送一个报文，就更改nextSeq的值，发送了多少个字节就把nextSeq往前移多少，但是不要超出N+size。

 

下面看接收窗口：

 

同样是维护几个关于字节序号的变量，与发送窗口类似，只不过接收窗口的字节序号都是接收到的字节。几个变量的意义如下：

（1）J1表示：字节序号 < J1的字节已经接收到了，即已经发出ack确认了，也可以说可以给程序使用了。

（2）J2表示：[J1，J2）区间的字节已经完整、有序的接收到了，随时可以供程序读取，但只是还没有发出ack，进行确认。

（3）J3就是接收窗口的最后一个可接收字节，超过J3的字节发来是拒绝接收的（一般也不会收到，因为发送窗口的大小是根据接收窗口来的，不可能回超过）。

 如何维护呢？

（1）发送一个报文时：将J2的值填入报文首部的ack字段，然后J1移动到J2，告诉对方你发来的字节序号小于J2的那些，我已经都正确接收到且使用了；将 (J3-J2) 的差值填入首部Win字段，告诉对方我还有多 大空间可以接收。

（2）接收到一个报文时，如果报文顺序没出错，则将移动J2，接收到多少字节就移动多少。如果报文按序到达，下一个收到的报文的Seq值就应该等于J2，如果不相等说明中间有报文丢失了，就不移动J2，从   而接下来发送的报文ack一直是同一个：J2，也就是重复确认，相应的又有快重传（扯远了，不详细说了）。

3. 滑动窗口原理总结

     因为窗口的起始值在开始后就会慢慢的增加，也就是右移，所以这也是滑动窗口名字的由来。实际上就是在接收报文、发送报文维护几个关于ack 、字节序号、seq（报文起始字节序号）的变量值。关于ack、seq、WinSize总结如下：

（1）发送报文ack是怎么来的，接收到报文时ack又是怎么用的：

　　　发送报文时从接收窗口拿J2的值填到报文首部的 ack；接收报文时拿到ack后将发送窗口的起始值N更新为ack。

（2）发送报文seq是怎么来的，接收到报文时seq又是怎么用的：

           发送报文时从发送窗口拿到nextSeq的值填到报文首部的seq字段；接收到报文后查看报文的seq字段是否是接收窗口的J2，是就根据报文长度将J2连续右移。

（3）发送报文Win是怎么来的，接收到报文时Win又是怎么用的：

          发送报文时，从接收窗口拿到 （J3-J2）的这个差值填到首部的Win字段；接收到报文时拿到首部的Win字段的值，假设为size，则更新发送窗口的结束位置为 N+size

 

二. 作用

    我们知道，网络层实际上就是一个数据报网络，本身是不面向连接的，也不提供可靠有序完整的服务。udp直接使用数据报网络，所以它只是提供尽力交付的服务，在传输过程中数据包可能会丢失。那么为什么TCP同样是使用数据报网络，却能够实现面向连接的可靠传输服务呢？实际上，是因为TCP的可靠传输不是依靠下层的网络层完成的，完全是在传输层上，在软件层面完成的，具体体现在TCP协议有收到确认、有超时重传、有重复确认-快重传等额外步骤。

    正是因为收发数据报相比于udp多了这么多限制，所以才实现了可靠传输的服务，这些额外的步骤也带来了不少问题：需要在首部字段多设置不少的字段用来完成那些步骤，多做的步骤会有时间、资源开销等。这些首部字段最重要的就是 ack 、字节序号、seq，这是保证能正确的重传丢失报文的基础。

    但是，有了这些也只能这样做：发送报文，等待对方确认，收到确认后继续发下一报文，效率非常低。而有了滑动窗口，通信双方就不用发送一个报文后，收到此报文的确认后再发送下一个报文，而是可以连续发送多个报文，只要别超过窗口大小限制；还有就是：TCP开销比udp大，一旦网络拥塞或报文丢失又会造成报文重发，而这些重发又加重了拥塞，所以TCP里要严格控制发送速率防止网络拥塞，滑动窗口根据接收方的Win大小很好的限制了发送方的发送速率。

总结就是：（1）滑动窗口允许发送方连续发送多个报文（2）根据对方接收窗口大小限制发送方的发送速率，防止拥塞

（注意：实际中并不一定按对方接收窗口rwnd大小来决定发送速率，因为没有考虑网络拥塞情况。拥塞控制中同样会决定发送窗口cwnd大小，最后发送时取 MIN（cwnd,rwnd））

 

三. 过程示例

  给个书上的示例：

 

B发送的的rwnd就是报文头部Win字段的值。解释个小问题：为什么前面说发送窗口的结束位置是N+size，而不是nextSeq+size？因为[N,nextSeq)这些字节是发送出去但未收到确认的，是随时有可能重发的，因此结束位置要从N算起，到N+size。