TCP 滑动窗口协议

TCP滑动窗口机制

我们可以大概看一下上图的模型：

首先是AB之间三次握手建立TCP连接。在报文的交互过程中，A将自己的缓冲区大小（窗口大小）3发送给B，B同理，这样双方就知道了对端的窗口大小。

A开始发送数据，A连续发送3个单位的数据，因为他知道B的缓冲区大小。在这一波数据发送完后，A就不能再发了，需等待B的确认。

A发送过来的数据逐渐将缓冲区填满。

这时候缓冲区中的一个报文被进程读取，缓冲区有了一个空位，于是B向A发送一个ACK，这个报文中指示窗口大小为1。

A收到B发过来的ACK消息，并且知道B将窗口大小调整为1，因此他只发送了一个单位的数据并且等待B的下一个确认报文。

 

如此反复。

 

 

什么是滑动窗口协议？
    一图胜千言，看下面的图。简单解释下，发送和接受方都会维护一个数据帧的序列，这个序列被称作窗口。发送方的窗口大小由接受方确定，目的在于控制发送速 度，以免接受方的缓存不够大，而导致溢出，同时控制流量也可以避免网络拥塞。下面图中的4,5,6号数据帧已经被发送出去，但是未收到关联的 ACK，7,8,9帧则是等待发送。可以看出发送端的窗口大小为6，这是由接受端告知的（事实上必须考虑拥塞窗口cwnd，这里暂且考虑 cwnd>rwnd）。此时如果发送端收到4号ACK，则窗口的左边缘向右收缩，窗口的右边缘则向右扩展，此时窗口就向前“滑动了”，即数据帧10 也可以被发送。

    下面就滑动窗口协议做出更详细的说明，这里为了简单起见设定发送方窗口大小为2，接受方大小为1。看下面图：

  一：初始态，发送方没有帧发出，发送窗口前后沿相重合。接收方0号窗口打开，等待接收0号帧；
  二：发送方打开0号窗口，表示已发出0帧但尚确认返回信息。 此时接收窗口状态不变；
  三：发送方打开0、1号窗口，表示0、1号帧均在等待确认之列。至此，发送方打开的窗口数已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之 前，发送方将暂停发送新的数据帧。接收窗口此时状态仍未变；
  四：接收方已收到0号帧，0号窗口关闭，1号窗口打开，表示准备接收1号帧。此时发送窗口状态不 变；
  五：发送方收到接收方发来的0号帧确认返回信息，关闭0号窗口，表示从重发表中删除0号帧。此时接收窗口状态仍不变
  六：发送方继续发送2号帧，2号窗口 打开，表示2号帧也纳入待确认之列。至此，发送方打开的窗口又已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之前，发送方将暂停发送新的数据帧，此时接收窗口状态 仍不变；
  七：接收方已收到1号帧，1号窗口关闭，2号窗口打开，表示准备接收2号帧。此时发送窗口状态不变；
  八：发送方收到接收方发来的1号帧收毕的确认信 息，关闭1号窗口，表示从重发表中删除1号帧。此时接收窗口状态仍不变。

 

1比特滑动窗口协议?
    上面说的只是滑动窗口协议的理论，实际应用中又有不同。首先就是停等协议(stop－and－wait)，这时接受方的窗口和发送方的窗口大小都是1，1 个比特就够表示了，所以也叫1比特滑动窗口协议。发送方这时自然发送每次只能发送一个，并且必须等待这个数据包的ACK，才能发送下一个。虽然在效率上比 较低，带宽利用率明显较低，不过在网络环境较差，或是带宽本身很低的情况下，还是适用的。看下面的流程图：

 

后退n协议?
    停等协议虽然实现简单，也能较好的适用恶劣的网络环境，但是显然效率太低。所以有了后退n协议，这也是滑动窗口协议真正的用处，这里发送的窗口大小为n，接受方的窗口仍然为1。具体看下面的图，这里假设n=9：
    首先发送方一口气发送10个数据帧，前面两个帧正确返回了，数据帧2出现了错误，这时发送方被迫重新发送2-8这7个帧，接受方也必须丢弃之前接受的3-8这几个帧。
    后退n协议的好处无疑是提高了效率，但是一旦网络情况糟糕，则会导致大量数据重发，反而不如上面的停等协议，实际上这是很常见的，具体可以参考TCP拥塞控制。

 

选择重传协议？
    后退n协议的另外一个问题是，当有错误帧出现后，总是要重发该帧之后的所有帧，毫无疑问在网络不是很好的情况下会进一步恶化网络状况，重传协议便是用来解 决这个问题。原理也很简单，接收端总会缓存所有收到的帧，当某个帧出现错误时，只会要求重传这一个帧，只有当某个序号后的所有帧都正确收到后，才会一起提 交给高层应用。重传协议的缺点在于接受端需要更多的缓存。

 

TCP滑动窗口易错处

 前段时间研究分布式时写了一个可扩展的服务器组程序，服务器组之间通信时老是达不到想要的性能。后来抓包排查，原来是TCP滑动窗口引起的问题，本来是很基础的东西，奈何当初没有太在意，导致错误的产生，现在详细写出来，忘不太清楚者警惕！

 

   滑动窗口的基本情况我有必要废话一下。TCP通信为了保证可靠性，每次发送的数据都需要得到对方的ACK才确认对方收到了(仅保证对方TCP接收缓冲收到数据了，但不保证对方应用程序取到数据了)，这时如果每次发送一次就要停下来等着对方的ACK消息，显然是一种极大的资源浪费和低下的效率，这时就有了滑动窗口的出现。

 

发送方的滑动窗口维持着当前发送的帧序号，已发出去帧的计时器，接收方当前的窗口大小(由接收方ACK通知，大体等于接收缓冲大小-未处理的消息包)，接收方滑动窗口保存的有已接收的帧信息、期待的下一帧的帧号等，至于滑动窗口的具体工作原理这里就不说了。

 

   一个socket有两个滑动窗口(一个sendbuf、一个recvbuf)，两个窗口的大小是通过setsockopt函数设置的，现在问题就出在这里，通过抓包显示，设置的窗口大小没有生效，最后排查发现setsockopt函数是后来加上的，写到了listen函数的后面，这样每次accept出的socket并没有继承得到主socket设置的窗口大小，无语啊……

 

   解决办法：setsockopt函数提前到listen函数之前，这样在服务器程序启动监听前recvbuf就已经有了，accept后的链接得到的就是recvbuf了，启动程序运行，抓包显示窗口已经是指定的大小了。

   网络编程其实很简单，任何人都可以写出一套自己的服务器框架，但是细节决定成败，性能的高低有时候就是几个小细节决定的（当然这里说的这个问题是个编程错误，不属于可优化的细节问题）