一、TCP滑動窗口

TCP雖然是面向字節(jié)流的，但是TCP傳輸的單元確實報文段。一個TCP報文段分為首部和數據部分。TCP首部前20個字節(jié)是固定的，后面有4N個字節(jié)是可選的。因此，TCP首部最小字節(jié)數是20個字節(jié)。

下面我們看下一TCP首部中幾個重要的字段：

1. 源端口 和 目的端口 各占兩個字節(jié)
2. 序號，占4個字節(jié)。序號范圍是[0,2^32-1]，可以對4GB數據進行編號，到達最大值后，序號會重新從0開始。該序號指的是本報文段所發(fā)送數據的第一個字節(jié)的序號。
3. 確認號，占4個字節(jié)。期望收到對方數據報的第一個數據字節(jié)的序號。舉例：假設B收到了A的一個報文，其序列號字段是301，數據長度是200字節(jié)，這表示B正確的收到了A發(fā)送的500序號為止的所有數據。因此，B期望收到的下一個數據的序號是501，于是B把在回復A的確認報文中的確認字段設置為501。
4. 確認ACK。當ACK字段為1時，確認號字段才有效。TCP規(guī)定，在連接建立后，傳輸的所有報文段的ACK都必須置1。
5. 同步SYN。在連接建立時用來同步序列，也就是三次握手的時候會用到。SYN=1，ACK=0，表示這是一個連接請求報文。若對方同一連接，則回復SYN=1,ACK=1。
6. 終止FIN。當FIN=1時，表示發(fā)送方數據已發(fā)送完畢，要求釋放連接（四次揮手）。
7. 窗口，表示自己的接收窗口的大小。占兩個字節(jié)，最大[0,2^32-1]，也就是64K。
8. 選項。長度可變，最大40個字節(jié)。當沒有使用選項是TCP，首部20占個字節(jié)。

1.1 什么是MSS？為什么要有MSS？

最大報文長度MSS（Maxium Segment Size），是每一個TCP報文段中數據字段的最大長度。而一個完整的 TCP報文段 = 數據字段 + 首部長度。

為什么要有MSS？因為TCP數據至少要添加20個字節(jié)的TCP首部和20個字節(jié)的IP首部，才能發(fā)送。所以，當發(fā)送的數據量少，如一個字節(jié)。那么網絡的利用率就極低。如果數據太大，會在IP層進行分片。到接收端后還要重組。如果不幸，有數據丟失或者出錯，還需要重新發(fā)送，導致開銷增大。

1.2 隨著因特網的發(fā)展，又陸續(xù)增加了幾個選項

窗口擴大選項：互聯網早期，窗口大小兩個字節(jié)，最大64K夠用。為了滿足發(fā)展需要，新增窗口擴大選項，占3個字節(jié)。其中有一個字節(jié)表示表示移位值S。新的窗口大小位數從16位增加到（16+S），S最大14，故窗口最大值增加到[0,2^30-1].

時間戳選項：占10個字節(jié)。其中主要時間戳字段和時間戳回送回答字段各占4字節(jié)。作用：（1）計算RTT；（2）用于處理序號超過2^32的情況。

選擇確認選項：適用于，收到的報文段無差錯，只是未按序號，中間還缺少某些序號的數據。選擇確認就可以只讓發(fā)送方發(fā)送這些缺少的數據，后面還會詳細介紹。

二、TCP滑動窗口

Tcp的滑動窗口是以字節(jié)為單位的。

2.1 滑動窗口收發(fā)數據流程舉例

現在假設發(fā)送方A收到了接收方B的確認報文，其中確認字段是31（表示31之前的數據都已收到，需要A從31開始發(fā)數據），窗口大小是20。A會根據這兩個數據構造出自己的發(fā)送窗口，如下：

發(fā)送窗口：在沒有收到B的確認情況下，A可以連續(xù)把窗口內的數據都發(fā)出去。發(fā)送窗口內的序號都是允許發(fā)送的序號。

現假設A又發(fā)送了31~41的數據，如下圖：
B此時的接受窗口如下：
此時，B雖然收到了32、33的分組，但是沒有按序接收，所以B給出的確認只能還是31。

再假設，B按序接收到了31、32、33。B把接收窗口往后往前移動3個序號，同時給A發(fā)出確認報文，窗口值仍為20，但是確認號為34。A在收到確認報文后，將自己的發(fā)送窗口也往前移動3個序號，注意，B還收到了37 38 40三個分組的數據，但是沒有按照順序，所以先暫存在自己的接收窗口。 如下：

2.2 選擇確認SACK原理

假設接收方收到若干不連續(xù)的報文段。序號1~ 1000收到了，但1000 ~ 1500沒收到。序號1501~ 3000收到了，但30001~ 3500沒收到。序號3501~4500又收到了。如果這些序號都在接受窗口內，接受方先收下這些數據，并把這些消息告訴發(fā)送方，讓發(fā)送方不在發(fā)送重復數據。
我們可以看到，每個字節(jié)塊都有左右兩個邊界，我們只需要告訴發(fā)送方這些邊界信息，讓其從指定序號開始傳就達到我們的預期了。

但是，TCP首部沒有哪個字段是來描述這些信息的。選擇確認選項就派上用場了。如果要使用選擇確認，就需要在TCP首部加上允許SACK選項。由于首部選項的長度只有40個字節(jié)，每個邊界需要4個字節(jié)，所以，最多只能傳遞8個邊界。為什么不是5個字節(jié)塊（10個邊界信息）呢？因為這40個字節(jié)，還要分出來兩個字節(jié)，一個用來開啟SACK；一個字節(jié)用來指出SACK選項占幾個字節(jié)。

三、TCP流量控制

所謂流量控制就是控制發(fā)送方的發(fā)送速率，不要太快，讓接收方來得及接收處理。利用滑動窗口就可以很方便的在TCP連接上實現對發(fā)送方的流量控制。

• 接收方每次收到數據后，在發(fā)送確認的報文的時候，同時告訴發(fā)送方自己的接收窗口的大??；
• 發(fā)送方收到確認報文之后，就會調整自己的發(fā)送速率，也就是自己的發(fā)送窗口大小。當發(fā)送方收到win=0時，就會停止發(fā)送數據，同時開啟一個定時器，每隔一段時間發(fā)送探測報文詢問接收方是否有空間接受數據，如果收到win>0就發(fā)送數據；如果win=0，您先忙，我待會再來問問…

四、擁塞控制

擁塞控制就是防止過多的數據注入網絡，導致網絡過載。注意與流量控制的區(qū)別，流量控制一般是點對點的控制。而擁塞控制是一個全局性的過程，涉及所有的主機和路由器等待。

擁塞控制方法：

4.1 慢開始、擁塞避免

發(fā)送方維持一個擁塞窗口cwnd（congestion window）的狀態(tài)變量。取決于網絡擁塞程度，動態(tài)變化。發(fā)送發(fā)控制cwnd的原則：只要網絡沒出現擁塞就增大cwnd，出現了就減小。

4.1.1 發(fā)送方如何判斷網絡擁塞

當網絡出現擁塞時，路由器就要丟棄分組。因此，如果發(fā)送方沒有按時收到應該到達的確認報文，就認為網絡出現擁塞。

4.1.2 算法原理

為方便描述，我們用報文個數作為窗口大小的單位，實際上單位是字節(jié)。慢開始的思路就是，剛開始將cwnd設置為一個MSS的數值，每經過一個傳輸輪次cwnd就加倍。

傳輸輪次：擁塞窗口所允許的發(fā)送的報文都連續(xù)發(fā)出去，且收到了對已發(fā)送的最后一個字節(jié)的確認。

因為是加倍（指數）增長，為了防止增長過度引起網絡阻塞，還設置一個慢開始門限ssthresh。當cwnd超過ssthresh時，就改為擁塞避免算法，也就是線性緩慢增長。

無論是在慢開始還是擁塞避免階段，只要發(fā)送方判斷網絡出現擁塞，就會把ssthresh設置為擁塞時發(fā)送窗口的一半，cwnd設置為1，重新執(zhí)行慢開始算法。

4.2 快重傳和快恢復

快重傳算法要求接收方每收到一個失序的報文段，就立即發(fā)出重復確認，目的是使發(fā)送方及早知道有報文段丟失。如果發(fā)送方連續(xù)手動三次重復的確認就立即重傳對方未收到的報文。

因為可以收到連續(xù)三個重復報文的確認，發(fā)送方不認為是網絡出現了擁塞。使用快恢復算法。快恢復思路是：把cwnd設置為ssthresh的一半，然后開始擁塞避免算法。

在采用快重傳算法時，慢開始算法只在TCP建立連接和網絡出現超時的時候使用。

上面的描述都是假定接收方總是有足夠的空間接受數據。實際上接收方的空間也是有限的，接收方根據自己的接受能力設置接受窗口rwnd。因此：

發(fā)送方窗口 = MIN[rwnd, cwnd]

文章參考于<零聲教育>的C/C++linux服務期高級架構文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-432420.html

到了這里，關于TCP滑動窗口、流量控制及擁塞控制詳解的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內容，請在右上角搜索TOY模板網以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網！