TCP滑动窗口控制流量的原理

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    TCP的流量控制

TCP的滑动窗口机制 

      TCP这个协议是网络中使用的比较广泛，他是一个面向连接的可靠的传输协议。既然是一个可靠的传输协议就需要对数据进行确认。TCP协议里窗口机制有2种：一种是固定的窗口大小；一种是滑动的窗口。这个窗口大小就是我们一次传输几个数据。对所有数据帧按顺序赋予编号，发送方在发送过程中始终保持着一个发送窗口，只有落在发送窗口内的帧才允许被发送；同时接收方也维持着一个接收窗口，只有落在接收窗口内的帧才允许接收。这样通过调整发送方窗口和接收方窗口的大小可以实现流量控制。

      TCP滑动窗口技术通过动态改变窗口大小来调节两台主机间数据传输。每个TCP/IP主机支持全双工数据传输，因此TCP有两个滑动窗口：一个用于接收数据，另一个用于发送数据。TCP使用肯定确认技术，其确认号指的是下一个所期待的字节。 假定发送方设备以每一次三个数据包的方式发送数据，也就是说，窗口大小为3。发送方发送序列号为1、2、3的三个数据包，接收方设备成功接收数据包，用序列号4确认。发送方设备收到确认，继续以窗口大小3发送数据。当接收方设备要求降低或者增大网络流量时，可以对窗口大小进行减小或者增加，本例降低窗口大小为2，每一次发送两个数据包。当接收方设备要求窗口大小为0，表明接收方已经接收了全部数据，或者接收方应用程序没有时间读取数据，要求暂停发送。发送方接收到携带窗口号为0的确认，停止这一方向的数据传输。
这样我们考虑一下如果说窗口过小，那么当传输比较大的数据的时候需要不停的对数据进行确认，这个时候就会造成很大的延迟。如果说窗口的大小定义的过大。我们假设发送方一次发送100个数据。但是接收方只能处理50个数据。这样每次都会只对这50个数据进行确认。发送方下一次还是发送100个数据，但是接受方还是只能处理50个数据。这样就避免了不必要的数据来拥塞我们的链路。所以我们就引入了滑动窗口机制，窗口的大小并不是固定的而是根据我们之间的链路的带宽的大小，这个时候链路是否拥塞。接受方是否能处理这么多数据了。
 

TCP的流量控制

1.TCP的滑动窗口

      为了提高信道的利用率TCP协议不使用停止等待协议，而是使用连续ARQ协议，意思就是可以连续发出若干个分组然后等待确认，而不是发送一个分组就停止并等待该分组的确认。

      TCP的两端都有发送/接收缓存和发送/接收窗口。TCP的缓存是一个循环队列，其中发送窗口可以用3个指针表示。而发送窗口的大小受TCP数据报中窗口大小的影响，TCP数据报中的窗口大小是接收端通知发送端其还可以接收多少数据，所以发送窗口根据接收的的窗口大小的值动态变化。

      以下的几张图片就帮助理解一下滑动窗口的机制：





      注意上图中的3个指针P1、P2、P3！此时接收窗口中接收的数据可能是失序的，但是也先存储在接收缓存之中。发送确认号的时候依然发送31，表示B期望接收的下一个数据报的标示符是31。



      当B收到31后连同之前接收到的数据报，发送确认号34，此时A的滑动窗口可以向前移动了。



      如果发送窗口中的数据报都属于已发送但未被确认的话，那么A就不能再继续发送数据，而需要进行等待。

2.TCP流量控制

      所谓流量控制就是让发送发送速率不要过快，让接收方来得及接收。利用滑动窗口机制就可以实施流量控制。

      原理这就是运用TCP报文段中的窗口大小字段来控制，发送方的发送窗口不可以大于接收方发回的窗口大小。

      考虑一种特殊的情况，就是接收方若没有缓存足够使用，就会发送零窗口大小的报文，此时发送放将发送窗口设置为0，停止发送数据。之后接收方有足够的缓存，发送了非零窗口大小的报文，但是这个报文在中途丢失的，那么发送方的发送窗口就一直为零导致死锁。

      解决这个问题，TCP为每一个连接设置一个持续计时器（persistence timer）。只要TCP的一方收到对方的零窗口通知，就启动该计时器，周期性的发送一个零窗口探测报文段。对方就在确认这个报文的时候给出现在的窗口大小（注意：TCP规定，即使设置为零窗口，也必须接收以下几种报文段：零窗口探测报文段、确认报文段和携带紧急数据的报文段）。

3.传输效率及Nagle算法

      TCP的数据传输分为交互数据流和成块数据流，交互数据流一般是一些交互式应用程序的命令，所以这些数据很小，而考虑到TCP报头和IP报头的总和就有40字节，如果数据量很小的话，那么网络的利用效率就较低。

      数据传输使用Nagle算法，Nagle算法很简单，就是规定一个TCP连接最多只能有一个未被确认的未完成的小分组。在该分组的确认到达之前不能发送其他的小分组。

      但是也要考虑另一个问题，叫做糊涂窗口综合症。当接收方的缓存已满的时候，交互应用程序一次只从缓存中读取一个字节（这时候缓存中腾出一个字节），然后向发送方发送确认信息，此时发送方再发送一个字节（收到的窗口大小为1），这样网络的效率很低。

      素以要解决这个问题，可以让接收方等待一段时间，使得接收缓存已有最够的空间容纳一个最长报文段，或者等到接收缓存已有一半的空间。只要这两种情况出现一种，就发送确认报文，同时发送方可以把数据积累成大的报文段发送。