TCP協(xié)議擁塞控制的滑動(dòng)窗口協(xié)議解析

TCP協(xié)議作為一個(gè)可靠的面向流的傳輸協(xié)議，其可靠性和流量控制由滑動(dòng)窗口協(xié)議保證，而擁塞控制則由控制窗口結(jié)合一系列的控制算法實(shí)現(xiàn)。

一、滑動(dòng)窗口協(xié)議

關(guān)于這部分自己不曉得怎么敘述才好，因?yàn)槔斫獾牟糠指啵旅婢陀米约旱睦斫鈦?lái)介紹下TCP的精髓：滑動(dòng)窗口協(xié)議。

所謂滑動(dòng)窗口協(xié)議，自己理解有兩點(diǎn)：1. “窗口”對(duì)應(yīng)的是一段可以被發(fā)送者發(fā)送的字節(jié)序列，其連續(xù)的范圍稱之為“窗口”；2. “滑動(dòng)”則是指這段“允許發(fā)送的范圍”是可以隨著發(fā)送的過(guò)程而變化的，方式就是按順序“滑動(dòng)”。在引入一個(gè)例子來(lái)說(shuō)這個(gè)協(xié)議之前，我覺(jué)得很有必要先了解以下前提：

-1. TCP協(xié)議的兩端分別為發(fā)送者A和接收者B，由于是全雙工協(xié)議，因此A和B應(yīng)該分別維護(hù)著一個(gè)獨(dú)立的發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)，由于對(duì)等性（A發(fā)B收和B發(fā)A收），我們以A發(fā)送B接收的情況作為例子；

-2. 發(fā)送窗口是發(fā)送緩存中的一部分，是可以被TCP協(xié)議發(fā)送的那部分，其實(shí)應(yīng)用層需要發(fā)送的所有數(shù)據(jù)都被放進(jìn)了發(fā)送者的發(fā)送緩沖區(qū)；

-3. 發(fā)送窗口中相關(guān)的有四個(gè)概念：已發(fā)送并收到確認(rèn)的數(shù)據(jù)（不再發(fā)送窗口和發(fā)送緩沖區(qū)之內(nèi)）、已發(fā)送但未收到確認(rèn)的數(shù)據(jù)（位于發(fā)送窗口之中）、允許發(fā)送但尚未發(fā)送的數(shù)據(jù)以及發(fā)送窗口外發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)暫時(shí)不允許發(fā)送的數(shù)據(jù)；

-4. 每次成功發(fā)送數(shù)據(jù)之后，發(fā)送窗口就會(huì)在發(fā)送緩沖區(qū)中按順序移動(dòng)，將新的數(shù)據(jù)包含到窗口中準(zhǔn)備發(fā)送；

TCP建立連接的初始，B會(huì)告訴A自己的接收窗口大小，比如為‘20’：

字節(jié)31-50為發(fā)送窗口

A發(fā)送11個(gè)字節(jié)后，發(fā)送窗口位置不變，B接收到了亂序的數(shù)據(jù)分組：

只有當(dāng)A成功發(fā)送了數(shù)據(jù)，即發(fā)送的數(shù)據(jù)得到了B的確認(rèn)之后，才會(huì)移動(dòng)滑動(dòng)窗口離開(kāi)已發(fā)送的數(shù)據(jù)；同時(shí)B則確認(rèn)連續(xù)的數(shù)據(jù)分組，對(duì)于亂序的分組則先接收下來(lái)，避免網(wǎng)絡(luò)重復(fù)傳遞：

二、流量控制

流量控制方面主要有兩個(gè)要點(diǎn)需要掌握。一是TCP利用滑動(dòng)窗口實(shí)現(xiàn)流量控制的機(jī)制；二是如何考慮流量控制中的傳輸效率。

1. 流量控制

所謂流量控制，主要是接收方傳遞信息給發(fā)送方，使其不要發(fā)送數(shù)據(jù)太快，是一種端到端的控制。主要的方式就是返回的ACK中會(huì)包含自己的接收窗口的大小，并且利用大小來(lái)控制發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送：

這里面涉及到一種情況，如果B已經(jīng)告訴A自己的緩沖區(qū)已滿，于是A停止發(fā)送數(shù)據(jù)；等待一段時(shí)間后，B的緩沖區(qū)出現(xiàn)了富余，于是給A發(fā)送報(bào)文告訴A我的rwnd大小為400，但是這個(gè)報(bào)文不幸丟失了，于是就出現(xiàn)A等待B的通知||B等待A發(fā)送數(shù)據(jù)的死鎖狀態(tài)。為了處理這種問(wèn)題，TCP引入了持續(xù)計(jì)時(shí)器（Persistence timer），當(dāng)A收到對(duì)方的零窗口通知時(shí)，就啟用該計(jì)時(shí)器，時(shí)間到則發(fā)送一個(gè)1字節(jié)的探測(cè)報(bào)文，對(duì)方會(huì)在此時(shí)回應(yīng)自身的接收窗口大小，如果結(jié)果仍未0，則重設(shè)持續(xù)計(jì)時(shí)器，繼續(xù)等待。

2. 傳遞效率

一個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題是：?jiǎn)蝹€(gè)發(fā)送字節(jié)單個(gè)確認(rèn)，和窗口有一個(gè)空余即通知發(fā)送方發(fā)送一個(gè)字節(jié)，無(wú)疑增加了網(wǎng)絡(luò)中的許多不必要的報(bào)文（請(qǐng)想想為了一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)而添加的40字節(jié)頭部吧！），所以我們的原則是盡可能一次多發(fā)送幾個(gè)字節(jié)，或者窗口空余較多的時(shí)候通知發(fā)送方一次發(fā)送多個(gè)字節(jié)。對(duì)于前者我們廣泛使用Nagle算法，即：

*1. 若發(fā)送應(yīng)用進(jìn)程要把發(fā)送的數(shù)據(jù)逐個(gè)字節(jié)地送到TCP的發(fā)送緩存，則發(fā)送方就把第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)先發(fā)送出去，把后面的字節(jié)先緩存起來(lái)；

*2. 當(dāng)發(fā)送方收到第一個(gè)字節(jié)的確認(rèn)后（也得到了網(wǎng)絡(luò)情況和對(duì)方的接收窗口大?。?，再把緩沖區(qū)的剩余字節(jié)組成合適大小的報(bào)文發(fā)送出去；

*3. 當(dāng)?shù)竭_(dá)的數(shù)據(jù)已達(dá)到發(fā)送窗口大小的一半或以達(dá)到報(bào)文段的最大長(zhǎng)度時(shí)，就立即發(fā)送一個(gè)報(bào)文段；

對(duì)于后者我們往往的做法是讓接收方等待一段時(shí)間，或者接收方獲得足夠的空間容納一個(gè)報(bào)文段或者等到接受緩存有一半空閑的時(shí)候，再通知發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)。

三、擁塞控制

網(wǎng)絡(luò)中的鏈路容量和交換結(jié)點(diǎn)中的緩存和處理機(jī)都有著工作的極限，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的需求超過(guò)它們的工作極限時(shí)，就出現(xiàn)了擁塞。擁塞控制就是防止過(guò)多的數(shù)據(jù)注入到網(wǎng)絡(luò)中，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)中的路由器或鏈路不致過(guò)載。常用的方法就是：

1. 慢開(kāi)始、擁塞控制

2. 快重傳、快恢復(fù)

一切的基礎(chǔ)還是慢開(kāi)始，這種方法的思路是這樣的：

-1. 發(fā)送方維持一個(gè)叫做“擁塞窗口”的變量，該變量和接收端口共同決定了發(fā)送者的發(fā)送窗口；

-2. 當(dāng)主機(jī)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，避免一下子將大量字節(jié)注入到網(wǎng)絡(luò)，造成或者增加擁塞，選擇發(fā)送一個(gè)1字節(jié)的試探報(bào)文；

-3. 當(dāng)收到第一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)的確認(rèn)后，就發(fā)送2個(gè)字節(jié)的報(bào)文；

-4. 若再次收到2個(gè)字節(jié)的確認(rèn)，則發(fā)送4個(gè)字節(jié)，依次遞增2的指數(shù)級(jí)；

-5. 最后會(huì)達(dá)到一個(gè)提前預(yù)設(shè)的“慢開(kāi)始門限”，比如24，即一次發(fā)送了24個(gè)分組，此時(shí)遵循下面的條件判定：

*1. cwnd 《 ssthresh， 繼續(xù)使用慢開(kāi)始算法；

*2. cwnd 》 ssthresh，停止使用慢開(kāi)始算法，改用擁塞避免算法；

*3. cwnd = ssthresh，既可以使用慢開(kāi)始算法，也可以使用擁塞避免算法；

-6. 所謂擁塞避免算法就是：每經(jīng)過(guò)一個(gè)往返時(shí)間RTT就把發(fā)送方的擁塞窗口+1，即讓擁塞窗口緩慢地增大，按照線性規(guī)律增長(zhǎng)；

-7. 當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，比如丟包時(shí)，將慢開(kāi)始門限設(shè)為原先的一半，然后將cwnd設(shè)為1，執(zhí)行慢開(kāi)始算法（較低的起點(diǎn)，指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)）；

上述方法的目的是在擁塞發(fā)生時(shí)循序減少主機(jī)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)，使得發(fā)生擁塞的路由器有足夠的時(shí)間把隊(duì)列中積壓的分組處理完畢。慢開(kāi)始和擁塞控制算法常常作為一個(gè)整體使用，而快重傳和快恢復(fù)則是為了減少因?yàn)閾砣麑?dǎo)致的數(shù)據(jù)包丟失帶來(lái)的重傳時(shí)間，從而避免傳遞無(wú)用的數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)?？熘貍鞯臋C(jī)制是：

-1. 接收方建立這樣的機(jī)制，如果一個(gè)包丟失，則對(duì)后續(xù)的包繼續(xù)發(fā)送針對(duì)該包的重傳請(qǐng)求；

-2. 一旦發(fā)送方接收到三個(gè)一樣的確認(rèn)，就知道該包之后出現(xiàn)了錯(cuò)誤，立刻重傳該包；

-3. 此時(shí)發(fā)送方開(kāi)始執(zhí)行“快恢復(fù)”算法：

*1. 慢開(kāi)始門限減半；

*2. cwnd設(shè)為慢開(kāi)始門限減半后的數(shù)值；

*3. 執(zhí)行擁塞避免算法（高起點(diǎn)，線性增長(zhǎng)）；