TCP滑动窗口详解

相较于UDP，TCP有以下区别：
1、可靠传输
2、流量控制

这两个功能都是依靠滑动窗口来实现的，本文就来解密TCP中的滑动窗口。

TCP实现可靠传输依靠的有 序列号、超时重传、滑动窗口、确认应答等机制。

序列号

首先我们说下序列号，TCP中将要发送的数据包的每个字节都分配了序列号，用来唯一标识一个字节。序列号随着数据包的发送而增加。

只有为每个字节分配一个序列号，每个数据包都对应着一个序列号区间，才能确定哪个数据包发送出现意外了。

序列号的初始化是由操作系统分配的，是一个32位的数字。

TCP初始化序列号不能设置为一个固定值，因为这样容易被攻击者猜出后续序列号，从而遭到攻击。

RFC1948中提出了一个较好的初始化序列号ISN随机生成算法。

ISN = M + F(localhost, localport, remotehost, remoteport).

M是一个计时器，这个计时器每隔4us加1。

F是一个随机算法，根据源IP、目的IP、源端口、目的端口生成一个随机数值。

确认应答

当接收方收到一个数据包后，会直接返回一个ACK包，或者延迟一段时间返回一个ACK包，一次性确认多个数据包。

ACK包中有一个ack字段，代表着seq小于ack的数据包都已经被接收完毕。

超时重传

当TCP发送端发送了一个TCP数据包的时候，会设置一个定时器，如果在定时器期间没有收到接收方对这个数据包的确认应答包，也成为ACK包，就会重新发送对应的TCP数据包。

超时重传有以下两个原因：
1、数据包丢失
2、ack数据包丢失

超时时间的选择
超时时间既不能太长，又不能太短。

超时时间过长存在的问题：
当发生丢包的时候，需要等待好长时间才会重新发送，这个时候TCP就处于等待时期，什么也干不了，浪费资源，发送效率低下。

超时时间过短存在的问题：
如果超时时间太短，会发生多次发送重复包的情况。当ACK包还在路上的时候，由于超时时间太短而导致发送端重复的发送不必要的数据包。会加重网络的负担，导致网络阻塞等问题。网络发生阻塞的话，会进一步正反馈导致更多的重传。

重传超时时间简称为RTO

RTO是略大于RTT的。

RTT指的是一个数据包从发送到接收到ACK确认包的花费时间，RTT是会随着网络的变化而变化，是会波动的。

滑动窗口的出现原因

滑动窗口 分为 发送窗口 和 接收窗口。

发送窗口 用来 发送数据。

接收窗口 用来 接收数据。

客户端和服务器端 都有一个 发送窗口 和 接收窗口。

为什么会引入滑动窗口呢？

如果不存在发送窗口的话，TCP发送一个数据包后会等待ACK包，因为必须要保存对应的数据包，数据包很有可能需要重新发送。

这样的话发送效率会很慢。大部分时间都在等待。

引入了发送窗口，发送窗口的做法是：

只要处于窗口范围中的字节都可以被发送，不需要等待前面字节的ack包。

发送窗口的本质就是在操作系统中开辟的一块缓冲区，用来存放当前需要发送的数据。当接收到ack的时候，会将seq小于ack的数据从缓冲区中移除，可以发送新的数据。

如果发送窗口的大小为3个TCP数据包，那么发送方就可以连续发送3个TCP数据包，而不用等待前2个数据包的ack包。

滑动窗口详解

发送窗口

发送窗口分为四个部分：
1、已经发送并且已经收到ack包的数据
2、已经发送还未接收到ack包的数据
3、允许发送但是还未发送的数据
4、不允许发送的数据

TCP中用三个指针来区分这个四个部分

指针1： 指向第一个已发送但是未接收到ack的字节
指针2： 指向第一个允许发送但是还未发送的字节
指针3： 发送窗口的大小

这时还允许发送数据，就会将可用窗口中的数据发送给接收窗口。

这个时候，可用窗口大小为0，这个时候会等待接收方发送ack包。

如果这个时候如果接收一个ack包为37，这个时候发送窗口会向右边移动5位，52-56会变成可用窗口。

接收窗口

接收窗口中的字节序列号都是与发送窗口一一对应的。

接收窗口分为三部分：
1、已经接收的数据
已经接收到的数据，

2、接收窗口中的数据
接收窗口中数据是可以接收数据，但是还未收到数据的区域

3、还未收到的数据
还不能接收数据的区域

接收窗口由一个RCV_NEXT和接收窗口大小window来维护。

接收窗口有以下情况：

1、当数据包的seq == RCV_NEXT的数据包的时候，将接收窗口的RCV_NEXT右移到第一个空的槽位中；

2、当数据包的seq > RCV_NEXT 并且seq < RCV_NEXT＋　window的时候，会将其加入到滑动窗口中对应的位置。

3、如果数据包的seq < RCV_NEXT，说明该数据包已经被接收了，但是对应的ack包因为阻塞或者异常没有发送到发送方。
这时接收方会利用其发送窗口发送一个ack包。

滑动窗口的大小

发送窗口的大小要取决于接收窗口，如果发送窗口大于接收窗口的大小，会导致接收窗口无法完全接收数据包，导致一些数据包被丢弃，导致发送窗口的超时重传，浪费资源。

tcp报文头部中有一个window字段，代表着接收窗口的接收数据能力，发送窗口会根据window字段来调整发送窗口大小，保证接收窗口正常接收数据包。

发送窗口的大小不能超过接收窗口的大小，否则接收窗口不能正常接收数据。

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