TCP协议的滑动窗口协议以及流量控制

参考资料

http://blog.chinaunix.net/uid-26275986-id-4109679.html

http://network.51cto.com/art/201501/464002_all.htm

一、滑动窗口协议

将TCP与UDP这样的简单传输协议区分开来的是它传输数据的质量。TCP对于发送数据进行跟踪，这种数据管理需要协议有以下两大关键功能：

可靠性：保证数据确实到达目的地。如果未到达，能够发现并重传。

数据流控：管理数据的发送速率，以使接收设备不致于过载。

要完成这些任务，整个协议操作是围绕滑动窗口确认机制来进行的。因此，理解了滑动窗口，也就是理解了TCP。

TCP面向流的滑动窗口确认机制:

 TCP建立连接的初始，B会告诉A自己的接收窗口大小，比如为‘20’

TCP将独立的字节数据当作流来处理。一次发送一个字节并接收一次确认显然是不可行的。即使重叠传输(即不等待确认就发送下一个数据)，速度也还是会非常缓慢。

TCP消息确认机制如上图所示，首先，每一条消息都有一个识别编号，每一条消息都能够被独立地确认，因此同一时刻可以发送多条信息。设备B定期发送给A一条发送限制参数，制约设备A一次能发送的消息最大数量。设备B可以对该参数进行调整，以控制设备A的数据流。

为了提高速度，TCP并没有按照字节单个发送而是将数据流划分为片段。片段内所有字节都是一起发送和接收的，因此也是一起确认的。确认机制没有采用message ID字段，而是使用的片段内最后一个字节的sequence number。因此一次可以处理不同的字节数，这一数量即为片段内的sequence number。

TCP数据流的概念划分类别

假设A和B之间新建立了一条TCP连接。设备A需要传送一长串数据流，但设备B无法一次全部接收，所以它限制设备A每次发送分段指定数量的字节数，直到分段中已发送的字节数得到确认。之后，设备A可以继续发送更多字节。每一个设备都对发送，接收及确认数据进行追踪。

如果我们在任一时间点对于这一过程做一个“快照”，那么我们可以将TCP buffer中的数据分为以下四类，并把它们看作一个时间轴：

1. 已发送已确认 数据流中最早的字节已经发送并得到确认。这些数据是站在发送设备的角度来看的。如下图所示，31个字节已经发送并确认。

2. 已发送但尚未确认 已发送但尚未得到确认的字节。发送方在确认之前，不认为这些数据已经被处理。下图所示14字节为第2类。

3. 未发送而接收方已Ready 设备尚未将数据发出，但接收方根据最近一次关于发送方一次要发送多少字节确认自己有足够空间。发送方会立即尝试发送。如图，第3类有6字节。

4. 未发送而接收方Not Ready 由于接收方not ready，还不允许将这部分数据发出。

接收方采用类似的机制来区分已接收并已确认，尚未接受但准备好接收，以及尚未接收并尚未准备好接收的数据。实际上，收发双方各自维护一套独立的变量，来监控发送和接收的数据流落在哪一类。

Sequence Number设定与同步：

发送方和接收方必须就它们将要为数据流中的字节指定的sequence number达成一致。这一过程称为同步，在TCP连接建立时完成。为了简化假设第一个字节sequence number是1，按照上图示例，四类字节如下：

1. 已发送已确认字节1至31。

2. 已发送但尚未确认字节32至45。

3. 未发送而接收方已Ready字节46至51。

4. 未发送而接收方Not Ready字节52至95。

发送窗口与可用窗口：

整个过程关键的操作在于接收方允许发送方一次能容纳的未确认的字节数。这称为发送窗口，有时也称为窗口。该窗口决定了发送方允许传送的字节数，也是2类和3类的字节数之和。因此，最后两类(接收方准备好而尚未发送，接收方未准备好)的分界线在于添加了从第一个未确认字节开始的窗口。本例中，第一个未确认字节是32，整个窗口大小是20。

可用窗口的定义是：考虑到正在传输的数据量，发送方仍被允许发送的数据量。实际上等于第3类的大小。左边界就是窗口中的第一个字节(字节32)，右边界是窗口中最后一个字节(字节51)。概念的详细解释看下图。

可用窗口字节发送后TCP类目与窗口大小的改变：

当上图中第三类的6字节立即发送之后，这6字节从第3类转移到第2类。字节变为如下：

1. 已发送已确认字节1至31。

2. 已发送但尚未确认字节32至51。

3. 未发送而接收方已Ready字节为0。

4. 未发送而接收方Not Ready字节52至95。

确认处理以及窗口缩放：

过了一段时间，目标设备向发送方传回确认信息。目标设备不会特别列出它已经确认的字节，因为这会导致效率低下。目标设备会发送自上一次成功接收后的最长字节数。

例如，假设已发送未确认字节(32至45)分为4段传输：32-34，35-36，37-41，42-45。第1，2，4已经到达，而3段没有收到。接收方只会发回32-36的确认信息。接收方会保留42-45但不会确认，因为这会表示接收方已经收到了37-41。这是很必要的，因为TCP的确认机制是累计的，只使用一个数字来确认数据。这一数字是自上一次成功接收后的最长字节数。假设目标设备同样将窗口设为20字节。

当发送设备接收到确认信息，则会将一部分第2类字节转移到第1类，因为它们已经得到了确认。由于5个字节已被确认，窗口大小没有改变，允许发送方多发5个字节。结果，窗口向右滑动5个字节。同时5个字节从第二类移动到第1类，5个字节从第4类移动至第3类，为接下来的传输创建了新的可用窗口。因此，在接收到确认信息以后，看起来如下图所示。字节变为如下：

1. 已发送已确认字节1至36。

2. 已发送但尚未确认字节37至51。

3. 未发送而接收方已Ready字节为52至56。

4. 未发送而接收方Not Ready字节57至95。

每一次确认接收以后，这一过程都会发生，从而让窗口滑动过整个数据流以供传输。

处理丢失确认信息：

但是丢失的42-45如何处理呢?在接收到第3段(37-41)之前，接收设备不会发送确认信息，也不会发送这一段之后字节的确认信息。发送设备可以将新的字节添加到第3类之后，即52-56。发送设备之后会停止发送，窗口停留在37-41。

TCP包括一个传输及重传的计时机制。TCP会重传丢失的片段。但有一个缺陷是：因为它不会对每一个片段分别进行确认，这可能会导致其他实际上已经接收到的片段被重传(比如42至45)。

二、流量控制
     流量控制方面主要有两个要点需要掌握。一是TCP利用滑动窗口实现流量控制的机制；二是如何考虑流量控制中的传输效率。
1. 流量控制
     所谓流量控制，主要是接收方传递信息给发送方，使其不要发送数据太快，是一种端到端的控制。主要的方式就是返回的ACK中会包含自己的接收窗口的大小，并且利用大小来控制发送方的数据发送：

     这里面涉及到一种情况，如果B已经告诉A自己的缓冲区已满，于是A停止发送数据；等待一段时间后，B的缓冲区出现了富余，于是给A发送报文告诉A我的rwnd大小为400，但是这个报文不幸丢失了，于是就出现A等待B的通知||B等待A发送数据的死锁状态。为了处理这种问题，TCP引入了持续计时器（Persistence timer），当A收到对方的零窗口通知时，就启用该计时器，时间到则发送一个1字节的探测报文，对方会在此时回应自身的接收窗口大小，如果结果仍未0，则重设持续计时器，继续等待。
2. 传递效率
     一个显而易见的问题是：单个发送字节单个确认，和窗口有一个空余即通知发送方发送一个字节，无疑增加了网络中的许多不必要的报文（请想想为了一个字节数据而添加的40字节头部吧！），所以我们的原则是尽可能一次多发送几个字节，或者窗口空余较多的时候通知发送方一次发送多个字节。对于前者我们广泛使用Nagle算法，即：
*1. 若发送应用进程要把发送的数据逐个字节地送到TCP的发送缓存，则发送方就把第一个数据字节先发送出去，把后面的字节先缓存起来；
*2. 当发送方收到第一个字节的确认后（也得到了网络情况和对方的接收窗口大小），再把缓冲区的剩余字节组成合适大小的报文发送出去；
*3. 当到达的数据已达到发送窗口大小的一半或以达到报文段的最大长度时，就立即发送一个报文段；
     对于后者我们往往的做法是让接收方等待一段时间，或者接收方获得足够的空间容纳一个报文段或者等到接受缓存有一半空闲的时候，再通知发送方发送数据。

三、拥塞控制
     网络中的链路容量和交换结点中的缓存和处理机都有着工作的极限，当网络的需求超过它们的工作极限时，就出现了拥塞。拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。常用的方法就是：
1. 慢开始、拥塞控制
2. 快重传、快恢复
     一切的基础还是慢开始，这种方法的思路是这样的：
-1. 发送方维持一个叫做“拥塞窗口”的变量，该变量和接收端口共同决定了发送者的发送窗口；
-2. 当主机开始发送数据时，避免一下子将大量字节注入到网络，造成或者增加拥塞，选择发送一个1字节的试探报文；
-3. 当收到第一个字节的数据的确认后，就发送2个字节的报文；
-4. 若再次收到2个字节的确认，则发送4个字节，依次递增2的指数级；
-5. 最后会达到一个提前预设的“慢开始门限”，比如24，即一次发送了24个分组，此时遵循下面的条件判定：
*1. cwnd < ssthresh， 继续使用慢开始算法；
*2. cwnd > ssthresh，停止使用慢开始算法，改用拥塞避免算法；
*3. cwnd = ssthresh，既可以使用慢开始算法，也可以使用拥塞避免算法；
-6. 所谓拥塞避免算法就是：每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口+1，即让拥塞窗口缓慢地增大，按照线性规律增长；
-7. 当出现网络拥塞，比如丢包时，将慢开始门限设为原先的一半，然后将cwnd设为1，执行慢开始算法（较低的起点，指数级增长）；

     上述方法的目的是在拥塞发生时循序减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够的时间把队列中积压的分组处理完毕。慢开始和拥塞控制算法常常作为一个整体使用，而快重传和快恢复则是为了减少因为拥塞导致的数据包丢失带来的重传时间，从而避免传递无用的数据到网络。快重传的机制是：
-1. 接收方建立这样的机制，如果一个包丢失，则对后续的包继续发送针对该包的重传请求；
-2. 一旦发送方接收到三个一样的确认，就知道该包之后出现了错误，立刻重传该包；
-3. 此时发送方开始执行“快恢复”算法：
*1. 慢开始门限减半；
*2. cwnd设为慢开始门限减半后的数值；
*3. 执行拥塞避免算法（高起点，线性增长）；