一.确认机制与流量控制

引用：滑动窗口，TCP的流量控制机制 | 小菜学网络

确认机制

        由于 IP 协议缺乏反馈机制，为保证可靠性，TCP 协议规定：当接收方收到一个数据后，必须回复 ACK 给发送方。这样发送方就能得到反馈，如果数据发出去后很长时间都没有收到 ACK 确认，说明数据很有可能已经丢失了。

一旦数据在传输过程中丢失，发送方必须重传。因此，TCP 每次发送数据后，都会启动一个定时器。如果定时器超时还没收到对方确认，TCP 就会重新发送数据。我们来看一个例子：

图中左边是发送方待发送字节流状态，字节流中每个字节都有一个序号，假设从零开始。数据颜色代表发送状态：

• 灰色，表示已经发出去而且收到对方确认的数据；
• 蓝色，表示已经发出去但还未收到确认的数据；
• 绿色，表示还未发送的数据（包括未来要发但此刻还不存在的数据）；

刚开始时，发送方已经成功发送了前 5 个字节，如灰色部分所示。随后它开始发送数据①，其实序号为 5 ，总共 5 个字节。再啰嗦一句，起始序号 5 保存在 TCP 报文段中的序号字段；而数据长度 5 无须保存，TCP 可以根据 IP 包数据长度和 TCP 头部长度来计算。

发送方在发送数据的同时，启动了一个计时器。这些数据虽然已经发送出去了，但还没收到对方确认，因而处于蓝色状态。随后它收到接收方发来的确认，状态转为灰色，万事大吉！注意到，确认号是最后一个字节加一，也就是下一个数据的起始序号。

紧接着，发送方又发出了数据②，首字节序号为 10 ，总共 4 个字节。这次比较背，数据②在传输过程中丢失了！发送方等到计时器超时都没收到确认，因此它将数据重新发送一次，并再次启动计时器。

这时，数据②仍维持蓝色不变，因为发送方还没收到确认。等数据成功送达对方，并收到对方的确认后，数据转成灰色状态。待发送字节流颜色不断交替，滚滚向前。

接收缓冲区

由于承载 TCP 报文段的 IP 包是独立路由的，可能走不同的网络路径，无法保证一定按照发送顺序送达目标主机。 TCP 协议需要向上提供连续字节流传输服务，如果报文段错序到达，TCP 必须根据序号重新排列数据。

另一方面，数据到达后目标主机后，接收方应用程序可能忙于其他事情，无法及时处理。鉴于这两个点，TCP 接收方需要在内存中准备一个接收缓冲区，用于临时保存数据。

当 TCP 报文段到达后，数据先临时保存在缓冲区中，位置由序号决定。当相邻的数据均达到后，组成连续字节流提交给应用程序。当应用程序将数据取走后，缓冲区中的副本就可以删除。如果应用程序忙于其他任务，数据则继续缓存在缓冲区中。

TCP 协议一般由操作系统内核实现，应用程序只需通过系统调用发送/接收数据，完全不用关心序号或 ACK 。 TCP 数据到达后，内核先将其保存于接收缓冲区，再通知应用程序读取。

我们来看一个新例子，这次站在接收方的角度，考察数据流在接收缓冲区中的状态：

1. 刚开始时，接收方缓冲区已接收了 5 字节数据，但应用程序尚未读取；
2. 发送方又发来 5 字节数据，接收方回复 ACK ，数据保存在缓冲区，应用程序仍未读取；
3. 与此同时，接收方通告窗口大小为 5 字节，表示自己还能接收 5 字节数据（超过缓冲区就会溢出）；
4. 应用程序将缓冲区中的 10 字节数据全部读取，接收方通告新窗口大小为 15 字节；
5. 发送方又前后发来两份数据，分别是数据②和数据③，大小均为 4 字节；
6. 其中，数据②在网络中丢失了；
7. 数据③顺利到达，接收方根据序号将其保存在缓冲区中，并回复 ACK ，确认号和窗口均不变；
8. 由于数据②尚未到达，未能组成连续数据提交给应用程序；
9. 因长时间没收到 ACK ，发送方重传数据②（数据③也被重传，因为 ACK 只确认 10 以前的数据）；
10. 数据②顺利到达，接收方将其保存在缓冲区中，并回复 ACK （注意确认号，数据③也一并确认了）；
11. 数据②和数据③组成连续数据，可以提交给应用程序读取；

综上所述，接收缓冲区主要起到两个关键作用：

• 应用进程繁忙时暂存数据；
• 数据乱序到达时重排数据；

流量控制

接收缓冲区大小是有限的，如果应用进程处理缓慢，发送方还拼命发送，最终肯定会压垮接收方。因此，当缓冲区有变化时，接收方应该通过 窗口大小 字段，将它的剩余大小告知发送方。

接收方通告的窗口大小通常称为 通告窗口（ advertised window ），可缩写为 awnd 。它起到约束发送方发送速度的作用：

• 如果接收方应用进程繁忙，迟迟未读取缓冲区里的数据，那么窗口大小将慢慢变小；
• 当窗口大小降为零，发送方就停止发送新数据；

通过通告窗口，发送方可以实时感知接收方缓冲区的状态，然后根据缓冲区剩余空间动态调整发送速度，这就是 TCP 的 流量控制（ flow control ）机制。

滑动窗口

重新站在发送方的角度，来考察数据的发送状态，可以分为四种：

1. 已发送且已确认，这部分已经发送完毕，可以忽略；

2. 已发送但未确认，这部分可能在网络中丢失，数据必须保留以便必要时重传；

3. 未发送但可发送，这部分接收方缓冲区还有空间保存，可以发出去；

4. 未发送且暂不可发送，这部分已超出接收方缓冲区存储空间，就算发出去也没意义；

注意到，第②和第③部分加起来就刚好是接收方缓冲区大小，如图红框部分。红框的左边缘由接收方的最后一个 ACK 确认决定，而长度由接收方通告的窗口大小决定，它规定了当前发送方能发送的最大数据量。

当发送方收到对方的 ACK ，意味着有数据已成功到达接收方，窗口左边缘将向右移动：

当接收方应用进程将数据从缓冲区取出后，向接收方通告新的窗口大小，这时窗口右边缘向右扩张：

随着双方通信的进行，由 已发送但未确认 以及 未发送但可发送 这两部分数据组成的窗口将不断向右移动，因此被形象地称为 滑动窗口（ sliding window ），TCP 流量控制机制也因此被称为滑动窗口机制。

二.CS144关于Slide Window的讲解

        使用停止-等待算法进行单包传输的缺点：假设通信最大带宽为10Mbyes/s,RTT = 50ms。则每秒可以发送20个数据包，假设链路层使用以太网传输。一个包最多有12Kbit数据，则每秒最多可以传输240Kbit数据约等于30KBytes约等于带宽的百分之3左右。

        故而使用停止等待算法传输数据，无法达到最大传输带宽，带宽利用率极低。

解决方案（滑动窗口）：

        滑动窗口允许在等待时间内（Flight Time）连续发送多个包，当窗口长度够大时，理论可以达到传输的最大带宽。

停止等待与滑动窗口两种流控制算法示例如下：

发送端滑动窗口：

        每个发送段落都有一个序列号。发送端滑动窗口维护三个变量，一个是窗口长度SWS（由接收端缓存区剩余长度决定），一个是 LAR最后一次接收确认ACK（主要决定窗口起点），最后一个是最后一个发送序列的序列号LSS。满足（LSS - LAR）<= SWS，也就是说最后一次发送的序列减去窗口左边界必须小于窗长。

        LAR是运行时变化的，故而窗口是可以移动的。

        当接收缓存区中元素被取出时，可以通知发送端滑动窗口长度增加，增大发送速率。

        接收端滑动窗口维护三个变量。RWS即为接收窗口长度（接收缓冲区），LAS允许接收的最后一个序列号，LSR最后一次接受的序列号。并且满足（LAS - LST） <= RWS 。

例如：RWS = 5, LSR = 3（窗口左边界）。那么可以继续接收序列号为4 5 6 7 8 9的数据。

如果小于最大可接收边界则发送ACK回复发送端

此时ACK采用累积和的形式。