TCP_滑动窗口介绍

简介

TCP协议中有两个窗口，滑动窗口和拥塞窗口，两者均是一种流控机制；滑动窗口是接收方的流控机制，拥塞窗口是发送方的流控机制。
本文介绍滑动窗口，接收方为TCP连接设置了接收缓存。当TCP连接接收到正确、按序的字节后，会将其放入到接收缓存中，相应的程序从缓存中接收数据。

下图是接收缓存的示意图，其中LastByteRcvd表示从网络中接收并已存入缓存的数据流的最后一个字节编号，LastByteRead是应用进程从缓存中读取的数据流的最后一个字节编号；
接收窗口(rwnd) = receive buffer - (LastByteRcvd - LastByteRead)

接收窗口，表示接收方当前可接收的数据容量的上限；接收方会将该信息同步给发送方，以使发送方基于该信息协调发送速度，以防止发送速度过快或者过慢而导致的资源损耗。
接收方、发送方均会维护该窗口信息，分别称为接收窗口（rwnd）和发送窗口（swnd）；发送窗口（的大小），我们可以理解为接收窗口的一个快照，一个同步有时延的快照。由于他们在处理数据过程中像窗口一样在滑动，故统称为滑动窗口。

ps：如果启用了SACK机制，接收方接收到的数据不连续的情况下，rwnd需要包含空隙的大小。RFC中并未明确规定对于乱序的数据包如何处理（丢弃或缓存），即使未启用SACK机制，某些实现可能也会缓存下来。

用途

• 流量控制；防止发送方过快的发送数据，超出接收方的处理能力，无效的传输导致资源损耗；
• 提高吞吐量：定义发送方可允许的最大在途流量（即连续发送的数据量），从而提高数据传输的吞吐量；（和拥塞窗口共同协作来控制发送速度）

实现方式

滑动窗口包括发送窗口（send window）和接收窗口（receive window），其实现涉及两个关键参数：窗口大小和确认机制；
窗口大小，表示可以连续发送或接收的数据量，通过动态调整窗口大小，来控制传输效率。
确认机制，接收方通过发送确认信息来告知发送方已经成功接收的数据范围。

发送窗口示意图如下：

接收窗口示意图如下：

名词解释：

窗口大小的通告过程

由于tcp是全双工通讯，通讯双方互为发送、接收方，在交互过程中均会通告其接收窗口的大小；
tcp header中，有两个参数和滑动窗口大小有关，它们是window和window scale；
window在每个报文中会进行通告；
window scale只会在syn报文中进行协商，但对自身（syn报文）不生效，只对后面的报文生效；发送方如果支持window scale机制，在发起syn请求时会携带该信息并填写不为0的值，当接收方在syn+ack报文中同样携带该参数且值不为0，说明双方均支持该机制，参数生效；

真实接收窗口大小 = Window * 2^window_scale；如果不支持window scale机制，则使用Window的值；
下图体现了window scale协商过程，也包含了窗口大小调整的现象；

调整和流控

下图是窗口大小调整的过程，当接收方来不及处理时，通过调整接收窗口的大小以达到限流的目的。

零窗口（zero window）

零窗口（Zero Window）是指在TCP通信中，接收端通知发送端其当前没有足够的缓冲区空间来接收更多的数据，从而将接收窗口设置为0的一种状态。

当接收端的滑动窗口大小变为0时，它会向发送端发送一个窗口更新报文段，其中包含了窗口大小为0的信息。

出现零窗口的原因可能是：

1. 接收端的应用程序来不及处理接收到的数据；这可能是因为应用程序正在执行其他任务，或者因为应用程序本身的处理速度较慢。

2. 接收端希望暂停数据接收；在某些情况下，接收端可能会主动要求停止数据传输，例如为了释放网络资源或进行其他操作。

当发送端接收到零窗口通告后，它会采取以下行动：

1. 停止发送新的数据段，直到接收端重新打开窗口；

2. 启用坚持定时器（Persist Timer），该定时器定期向接收端发送探测报文，询问是否可以继续发送数据。这些探测报文被称为“窗口探测”或“零窗口探测”。

零窗口状态是一个重要的TCP流量控制机制，通过这种方式，发送端可以避免在接收方拥塞时继续发送数据，导致更多的丢包和重传。

糊涂窗口综合症（Silly Window Syndrome）

糊涂窗口综合症（Silly Window Syndrome, SWS）是指一种低效率的数据传输现象。

它可以出现在接收、发送端的任何一方。当接收方可以通告一个小窗口，发送方可以选择发送少量的数据，这种情况下数据有效载荷率很低，大部分网络带宽被用于传输头部信息。

下图是一个接收方通告小窗口的示例：

糊涂窗口综合征通常可以通过以下方式解决：

1. 发送端避免发送太小的数据段，例如通过Nagle算法合并小数据段；

2. 接收端尽可能增大其接收窗口，以便能够处理更大的数据段；

3. 使用TCP的延迟确认机制来减少不必要的确认消息。

参考资料

• The TCP/IP Guide.
• tcp rfc.
• 《计算机网络*自顶向下方法》