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TCP 滑动窗口是个什么东西?这篇讲清楚

TCP 滑动窗口是个什么东西?这篇讲清楚

作者: Java码农 | 来源:发表于2022-10-08 09:56 被阅读0次

    今天我们来看TCP的滑动窗口问题,无论是在工作中,还是在笔试面试中,滑动窗口都是非常重要的概念,今天,图文并茂给大家讲清楚,一起来看看。

    一、TCP的优势

    TCP经过多年厮杀,早已确立了坚实的江湖基础,是面向连接,可靠,基于字节流的传输层协议。所谓可靠,就是确保数据准确的,不重复,无延迟的到达目的地;

    TCP的总结如下:

    ①数据分片:在发送端对用户数据进行分片,在接收端进行重组,由TCP确定分片的大小并控制分片和重组;

    ②到达确认:接收端接收到分片数据时,根据分片数据序号向发送端发送一个确认;

    ③超时重发:发送方在发送分片时启动超时定时器,如果在定时器超时之后没有收到相应的确认,重发分片;

    ④滑动窗口:TCP连接每一方的接收缓冲空间大小都固定,接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据,TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制,防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出;

    ⑤失序处理:作为IP数据报来传输的TCP分片到达时可能会失序,TCP将对收到的数据进行重新排序,将收到的数据以正确的顺序交给应用层;

    ⑥重复处理:作为IP数据报来传输的TCP分片会发生重复,TCP的接收端必须丢弃重复的数据;

    ⑦数据校验:TCP将保持它首部和数据的检验和,这是一个端到端的检验和,目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到分片的检验和有差错,TCP将丢弃这个分片,并不确认收到此报文段导致对端超时并重发。

    其中很重要的一环就是“滑动窗口”,下面我们重点关注一下。

    二、滑动窗口的引入

    IP 层协议属于不可靠的协议,IP 层并不关系数据是否发送到了对端,在复杂的网络中,由于各种各样的原因,接收到数据包的顺序不一定和发送的顺序相同,这就是乱序问题。这种情况下,有必要为每个包定义一个序号seq,每个包用一个校验和确保数据完整性。

    然后发送方不能不管接收方的承受能力,只顾着发。举个栗子,一个高速公路如果没有收费站,那么车辆就会一拥而入,此时不凑巧,发生了追尾事故,导致公路拥塞,如果不控制公路的进入车辆,那么整个高速公路都会变成“露天停车场”。说到这里你可能就明白了,TCP需要这样的“收费站”,而这个收费站就是“滑动窗口”。

    然后,平时在高速上的时候,细心的你注意到了:除了入口有个收费站,出口也有个收费站。TCP也是一样的,除了入口有发送方滑动窗口,出口处也设立有接收方滑动窗口。

    收费站除了限制流速以外还有什么作用鸭?是不是要收费呢,毕竟这是国家修的路,不能白走是吧。

    对于发送方滑动窗口(入口收费站),我们把数据包看成车辆,枚举它们的状态:

    1. 还未进入入口收费站车辆。对应的是下图Not Sent,Recipient Not Ready to Receive。这些数据属于发送端未发送,同时接收端也未准备接收的
    2. 进入收费站,但未进入高速路。对应的是图中的Not Sent,Recipient Ready to Receive。这部分数据是发送端未发送但已经告知接收方的,这部分其实已经在窗口中(发送端缓存)了,等待发送。
    3. 在高速公路上行驶的车辆。对应的是Send But Not Yet Acknowledged。这部分数据称为发送但没有被确认,数据被发送出去,没有收到接收端的 ACK,认为并没有完成发送,这个属于窗口内的数据
    4. 到达出口收费站的车辆。对应的是Sent and Acknowledged。这些数据表示已经发送成功并已经被确认的数据,这些数据已经离开窗口了。

    对于接收方滑动窗口(出口收费站),类似发送端,接收端的数据有 4 个分类,因为接收端并不需要等待 ACK 所以它没有类似的接收并确认了的分类,情况如下

    1. 车辆还未到达出口收费站。对应Not Received:有空位,还没有被接收的数据
    2. 车辆到达出口收费站,但未完成缴费。对应Received Not ACK: 已经接收并,但是还没有回复 ACK,这些包可能输属于 Delay ACK 的范畴了。
    3. 车辆完成缴费,但不知道走哪条路。对应Received and ACK Not Send to Process:这部分数据属于接收了数据但是还没有被上层的应用程序接收,也是被缓存在窗口内。
    4. 车辆离开出口收费站。对应Received and ACK Send to Process。离开了窗口缓存。

    这样讲是不是就很明白了,下面给出滑动窗口的正式定义。

    1. Left edge和Right edge分别表示滑动窗口的左边界和右边界。
    2. Usable Window:表示窗口的缓冲区。
    3. Send Window :发送窗口, 这部分值是有接收方在三次握手的时候进行设置的,同时在接收过程中也不断地通告可以发送的窗口大小,来进行适应。
    4. Window Already Sent: 已经发送的数据,但是并没有收到 ACK。

    滑动窗口所谓的“滑动”,并不是说窗口在动,而是因为数据在不断进入和离开窗口,也就是说真正“动”的是数据,下面一幅图就表示了这点:

    滑动窗口在TCP首部中的位置如下图所示:

    RFC793对它的解释是"发送方希望接收到的以ACK标志开头的数据字节数"。滑动窗口是跟ACK一起的,因此ACK标志必须置为1,同时指定窗口大小。可以看到,滑动窗口大小通过16个bit来描述,所以变化范围0-65535(这个范围其实是可以缩放的)。

    Window:  16 bits
        The number of data octets beginning with the one indicated in the
        acknowledgment field which the sender of this segment is willing to
        accept.
    

    三、滑动窗口的工作原理

    首先,TCP不是每个报文段都会返回TCP的,可能对多个报文返回一个ACK

    我们再举一个栗子,制造某机器需要A,B,C三种零件,并且组装顺序A→B→C,某天不凑巧,B,C零件先到,这个时候往往把A的位置预留出来,等待A到达之后,再进行组装;如果A丢失了,那么B,C也丧失作用,被丢弃了。

    在TCP中也有这样一个“预留的地方”,我们称之为“空洞(hole)”。假设我们依次发送3个报文(A,B,C)。如果B,C报文先到,那么先把A的位置预留出来,只有A报文到达了,接收端才返回一个ACK(不是3个)进行确认

    在介绍滑动窗口原理之前,我们先讲解一个重要概念——MSS (Max Segment Size,最大段大小),数据被TCP分割成合适发送的数据块,称为段(Segment)。注意:这里说的段(Segment)不包括协议首部,只包含数据

    与MSS最为相关的一个参数就是网络设备接口的MTU(Max Transfer Unit)。

    我们完整讲一下滑动窗口的原理:

    1. 有一组数据通过TCP传输,TCP先 将其分成若干段,假设有四个段seg1,seg2,seg3,seg4,依次发送出去,此时假设接收端接收到了 seg1 seg2 seg4;
    2. 此时接收端的行为是回复一个 ACK 包说明已经接收到,并将 seg4 进行缓存(保证顺序,产生一个保存 seg3 的 hole);
    3. 发送端收到 ACK 之后,就会将对应的数据包变为已确认状态,这个时候窗口向右移动;
    4. 假设接收端通告的 Window Size 仍然不变,此时窗口右移,产生一些新的空位,这些是接收端允许发送的范畴;
    5. 对于丢失的 seg3,如果超过一定时间,TCP 就会重新传送(重传机制),重传成功会 seg3 seg4 一块被确认,不成功,seg4 也将被丢弃。

    前面我们讲到,这个滑动窗口是可以动态调整的,下面讲一下滑动窗口动态调整的原理。

    四、滑动窗口的动态调整原理

    这一部分可能需要阅读Linux源码。有兴趣的读者可以来肝哦。

    内核版本: linux3.2.12

    文件目录:linux-3.2.12\include\linux\tcp.h

    struct tcp_sock {
        ...
        /* 最早接收但未确认的段的序号,即当前接收窗口的左端*/
        u32 rcv_wup; /* rcv_nxt on last window update sent */
        u16 advmss; /* Advertised MSS. 本端能接收的MSS上限,建立连接时用来通告对端*/
        u32 rcv_ssthresh; /* Current window clamp. 当前接收窗口大小的阈值*/
        u32 rcv_wnd; /* Current receiver window,当前的接收窗口大小*/
        u32 window_clamp; /* 接收窗口的最大值,这个值也会动态调整*/
        ...
        struct tcp_options_received rx_opt; /* 接收选项 */ 
        u32  mss_cache;  /* Cached effective mss, not including SACKS */
    }
    
    struct tcp_options_received {
        ...
            snd_wscale : 4, /* Window scaling received from sender, 对端接收窗口扩大因子 */
            rcv_wscale : 4; /* Window scaling to send to receiver, 本端接收窗口扩大因子 */
        u16 user_mss; /* mss requested by user in ioctl */
        u16 mss_clamp; /* Maximal mss, negotiated at connection setup,对端的最大mss */
    }
    
    struct tcp_options_received {
    /*  PAWS/RTTM data  */
      long  ts_recent_stamp;/* Time we stored ts_recent (for aging) */
      u32  ts_recent;  /* Time stamp to echo next    */
      u32  rcv_tsval;  /* Time stamp value               */
      u32  rcv_tsecr;  /* Time stamp echo reply          */
      u16   saw_tstamp : 1,  /* Saw TIMESTAMP on last packet    */
        tstamp_ok : 1,  /* TIMESTAMP seen on SYN packet    */
        dsack : 1,  /* D-SACK is scheduled      */
        wscale_ok : 1,  /* Wscale seen on SYN packet    */
        sack_ok : 4,  /* SACK seen on SYN packet    */
        snd_wscale : 4,  /* Window scaling received from sender  */
        rcv_wscale : 4;  /* Window scaling to send to receiver  */
      u8  cookie_plus:6,  /* bytes in authenticator/cookie option  */
        cookie_out_never:1,
        cookie_in_always:1;
      u8  num_sacks;  /* Number of SACK blocks    */
      u16  user_mss;  /* mss requested by user in ioctl  */
      u16  mss_clamp;  /* Maximal mss, negotiated at connection setup */
    };
    

    tcp_sock表示的是TCP结构体。我们只关注里面最重要的几个成员:

    (1)tp->advmss

    这里的adv是advertised告知的意思。本端在建立连接时使用的MSS,是本端能接收的MSS上限。这是从路由缓存中获得的(dst->metrics[RTAX_ADVMSS - 1]),一般是1460。

    (2)tp->rx_opt.mss_clamp

    对端的能接收的MSS上限,其值为tcp_sock->rx_opt.user_mss和 对端在建立连接时通告的MSS的较小值。

    (3)tp->mss_cache

    本端当前有效的发送MSS,不包括SACKS。显然不能超过对端接收的上限,即tp->mss_cache <= tp->mss_clamp。

    (4)tcp_sock->rx_opt.user_mss

    用户通过TCP_MAXSEG选项设置的MSS上限,用于决定本端和对端的接收MSS上限。

    文件目录:linux-3.2.12\include\net\sock.h

    struct sock {
        ...
        struct sk_buff_head sk_receive_queue;
        /* 表示接收队列sk_receive_queue中所有段的数据总长度*/
    #define sk_rmem_alloc sk_backlog.rmem_alloc
    
        int sk_rcvbuf; /* 接收缓冲区长度的上限*/
        int sk_sndbuf; /* 发送缓冲区长度的上限*/
    
        struct sk_buff_head sk_write_queue;
        ...
    }
    

    主要对接收和发送缓冲区进行定义。

    接收缓存sk->sk_rcvbuf分为两部分:
    (1) network buffer,一般占3/4,这部分是协议能够使用的。
    (2)application buffer,一般占1/4。
    我们在计算连接可用接收缓存的时候,并不会使用整个的sk_rcvbuf,防止应用程序读取数据的速度比网络数据包到达的速度慢时,接收缓存被耗尽的情况。

    下面是根据RFC793和RFC1122定义的窗口更新参数。

    我们先从初始情况开始进行分析。

    /* Determine a window scaling and initial window to offer.
     * Based on the assumption that the given amount of space will be offered.
     * Store the results in the tp structure.
     * NOTE: for smooth operation initial space offering should be a multiple of mss
     * if possible. We assume here that mss >= 1\. This MUST be enforced by all calllers.
     */
    void tcp_select_initial_window (int __space, __u32 mss, __u32 *rcv_wnd, __u32 *window_clamp,
                                    int wscale_ok, __u8 *rcv_wscale, __u32 init_rcv_wnd)
    {
        unsigned int space = (__space < 0 ? 0 : __space); /* 接收缓存不能为负*/
    
        /* If no clamp set the clamp to the max possible scaled window。
         * 如果接收窗口上限的初始值为0,则把它设成最大。
         */
        if (*window_clamp == 0)
            (*window_clamp) = (65535 << 14); /*这是接收窗口的最大上限*/
    
        /* 接收窗口不能超过它的上限 */
        space = min(*window_clamp, space); 
    
        /* Quantize space offering to a multiple of mss if possible.
         * 接收窗口大小最好是mss的整数倍。
         */
        if (space > mss)
            space = (space / mss) * mss; /* 让space为mss的整数倍*/
    
        /* NOTE: offering an initial window larger than 32767 will break some
         * buggy TCP stacks. If the admin tells us it is likely we could be speaking
         * with such a buggy stack we will truncate our initial window offering to
         * 32K - 1 unless the remote has sent us a window scaling option, which
         * we interpret as a sign the remote TCP is not misinterpreting the window
         * field as a signed quantity.
         */
        /* 当协议使用有符号的接收窗口时,则接收窗口大小不能超过32767*/
        if (sysctl_tcp_workaround_signed_windows)
            (*rcv_wnd) = min(space, MAX_TCP_WINDOW);
        esle
            (*rcv_wnd) = space;
    
        (*rcv_wscale) = 0;
        /* 计算接收窗口扩大因子rcv_wscale,需要多大才能表示本连接的最大接收窗口大小?*/
        if (wscale_ok) {
            /* Set window scaling on max possible window
             * See RFC1323 for an explanation of the limit to 14
             * tcp_rmem[2]为接收缓冲区长度上限的最大值,用于调整sk_rcvbuf。
              * rmem_max为系统接收窗口的最大大小。
              */
            space = max_t(u32, sysctl_tcp_rmem[2], sysctl_rmem_max);
            space = min_t(u32, space, *window_clamp); /*受限于具体连接*/
    
            while (space > 65535 && (*rcv_wscale) < 14) {
                space >>= 1;
                (*rcv_wscale)++;
            }
       }
    
        /* Set initial window to a value enough for senders starting with initial
         * congestion window of TCP_DEFAULT_INIT_RCVWND. Place a limit on the 
         * initial window when mss is larger than 1460.
         *
         * 接收窗口的初始值在这里确定,一般是10个数据段大小左右。
         */
        if (mss > (1 << *rcv_wscale)) {
            int init_cwnd = TCP_DEFAULT_INIT_RCVWND; /* 10 */
            if (mss > 1460)
                init_cwnd = max_t(u32, 1460 * TCP_DEFAULT_INIT_RCVWND) / mss, 2);
    
            /* when initializing use the value from init_rcv_wnd rather than the 
             * default from above.
             * 决定初始接收窗口时,先考虑路由缓存中的,如果没有,再考虑系统默认的。
              */
            if (init_rcv_wnd) /* 如果路由缓存中初始接收窗口大小不为0*/
                *rcv_wnd = min(*rcv_wnd, init_rcv_wnd * mss);
            else 
                *rcv_wnd = min(*rcv_wnd, init_cwnd *mss);
        }
    
        /* Set the clamp no higher than max representable value */
        (*window_clamp) = min(65535 << (*rcv_wscale), *window_clamp);
    }
    

    初始的接收窗口的取值(mss的整数倍):

    (1)先考虑路由缓存中的RTAX_INITRWND
    (2)在考虑系统默认的TCP_DEFAULT_INIT_RCVWND(10)
    (3)最后考虑min(3/4 * sk_rcvbuf, window_clamp),如果这个值很低.

    接下来我们可以看到,接收窗口的大小主要取决于剩余的接收缓存,以及接收窗口当前阈值。

    决定接收窗口大小的函数tcp_select_window()在tcp_transmit_skb()中调用,也就是说每次我们要发送数据包时,都要使用tcp_select_window()来决定通告的接收窗口大小。

    static int tcp_transmit_skb (struct sock *sk, struct sk_buff *skb, int clone_it, 
                                 gfp_t gfp_mask)
    {
        const struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
        struct inet_sock *inet;
        struct tcp_sock *tp;
        struct tcp_skb_cb *tcb;
        struct tcphdr *th;
        ...
        /* Build TCP header and checksum it,以下是TCP头的赋值*/
        th = tcp_hdr(skb); /* skb->transport_header */
        th->source = inet->inet_sport;
        th->dest = inet->inet_dport;
        th->seq = htonl(tcb->seq);
        th->ack_seq = htonl(tp->rcv_nxt);
        /* 这个语句可以看出C语言的强大*/
        *(((__be16 *) th) + 6) = htons(((tcp_header_size >> 2) << 12) | tcb->tcp_flags);
    
        if (unlikely(tcb->tcp_flags & TCPHDR_SYN)) {
            /* RFC1323: The window in SYN & SYN/ACK segments in never scaled.
             * 从这里我们可以看到,在三次握手阶段,接收窗口并没有按扩大因子缩放。
              */
            th->window = htons(min(tp->rcv_wnd, 65535U));
    
        } else {
            th->window = htons(tcp_select_window(sk)); /* 更新接收窗口的大小*/
        }
        th->check = 0;
        th->urg_ptr = 0;
        ...
    }
    

    这里有几个函数,大家可能没见过,所以稍微解释一下:

    网络字节顺序NBO(Network Byte Order)

    按从高到低的顺序存储,在网络上使用同一的网络字节顺序,可避免兼容性问题;

    主机字节顺序HBO(Host Byte Order)

    不同的机器HBO不相同,与CPU的设计有关,数据的顺序是由CPU决定的,而与操作系统无关;

    如Intel x86结构下,short型数0x1234表示为34 12,int型数0x12345678表示为78 56 34 12;

    如IBM power PC结构下,short型数0x1234表示为 12 34,int型数0x12345678表示为 12 34 56 78.

    由于这个原因,不同体系结构的机器之间不能直接通信,所以要转换成一种约定的顺序,也就是网络字节顺序,其实就是如同power pc那样的顺序。

    ntohs =net to host short int 16位 htons=host to net short int 16位 ntohl =net to host long int 32位 htonl=host to net long int 32位

    接下来看一下tcp_select_window(),这个是核心函数。

    static u16 tcp_select_window(struct sock *sk)
    {
        struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    
        u32 cur_win = tcp_receive_window(tp); /* 当前接收窗口的剩余大小*/
        u32 new_win = __tcp_select_window(sk); /*根据剩余的接收缓存,计算新的接收窗口的大小 */
    
        /* Never shrink the offered window,不允许缩小已分配的接收窗口*/
        if (new_win < cur_win) {
            /* Danger Will Robinson!
             * Don't update rcv_wup/rcv_wnd here or else
             * we will not be able to advertise a zero window in time. --DaveM
             * Relax Will Robinson.
             */
            new_win = ALIGN(cur_win, 1 << tp->rx_opt.rcv_wscale);
        }
    
        /* 更新接收窗口大小。个人觉得这句代码应该后移,因为此时接收窗口的大小还未最终确定!*/
        tp->rcv_wnd = new_win;
        tp->rcv_wup = tp->rcv_nxt; /* 更新接收窗口的左边界,把未确认的数据累积确认*/
    
        /* 确保接收窗口大小不超过规定的最大值。
          * Make sure we do not exceed the maximum possible scaled window.
         */
        if (! tp->rx_opt.rcv_wscale && sysctl_tcp_workaround_signed_windows)
            /* 不能超过32767,因为一些奇葩协议采用有符号的接收窗口大小*/
            new_win = min(new_win, MAX_TCP_WINDOW); 
    
        else
            new_win = min(new_win, (65535U << tp->rx_opt.rcv_wscale));
    
        /* RFC1323 scaling applied. 按比例因子缩小接收窗口,这样最多能表示30位*/
        new_win >>= tp->rx_opt.rcv_wscale;
    
        /* If we advertise zero window, disable fast path. */
        if (new_win == 0)
            tp->pred_flags = 0;
    
        return new_win; /* 返回最终的接收窗口大小*/
    }
    

    每次发送一个TCP数据段,都要构建TCP首部,这时会调用tcp_select_window选择接收窗口大小。窗口大小选择的基本算法:

    1. 计算当前接收窗口的剩余大小cur_win。
    2. 计算新的接收窗口大小new_win,这个值为剩余接收缓存的3/4,且不能超过rcv_ssthresh。
    3. 取cur_win和new_win中值较大者作为接收窗口大小。

    计算当前接收窗口的剩余大小cur_win。

    /* 
     * Compute the actual receive window we are currently advertising.
     * rcv_nxt can be after the window if our peer push more data than
     * the offered window.
     */
    static inline u32 tcp_receive_window (const struct tcp_sock *tp)
    {
        s32 win = tp->rcv_wup + tp->rcv_wnd - tp->rcv_nxt;
    
        if (win < 0)
            win = 0;
    
        return (u32) win;
    }
    

    __tcp_select_window计算新的接收窗口大小new_win,这个是关键函数,我们将看到rcv_ssthresh所起的作用。

    /* 
     * calculate the new window to be advertised.
     */
    u32 __tcp_select_window(struct sock *sk)
    {
        struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
        struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    
        /* MSS for the peer's data. Previous versions used mss_clamp here.
         * I don't know if the value based on our guesses of peer's MSS is better
         * for the performance. It's more correct but may be worse for the performance
         * because of rcv_mss fluctuations. —— SAW 1998/11/1
         */
        int mss = icsk->icsk_ack.rcv_mss;/*这个是估计目前对端有效的发送mss,而不是最大的*/  
        int free_space = tcp_space(sk); /* 剩余接收缓存的3/4 */
        int full_space = min_t(int, tp->window_clamp, tcp_full_space(sk)); /* 总的接收缓存 */
        int window;
    
        if (mss > full_space)
            mss = full_space; /* 减小mss,因为接收缓存太小了*/
    
        /* receive buffer is half full,接收缓存使用一半以上时要小心了 */
        if (free_space < (full_space >> 1)) {
            icsk->icsk_ack.quick = 0; /* 可以快速发送ACK段的数量置零*/
    
            if (tcp_memory_pressure)/*有内存压力时,把接收窗口限制在5840字节以下*/
                tp->rcv_ssthresh = min(tp->rcv_ssthresh, 4U * tp->advmss);
    
            if (free_space < mss) /* 剩余接收缓存不足以接收mss的数据*/
                return 0;
        }
    
        if (free_space > tp->rcv_ssthresh)
            /* 看!不能超过当前接收窗口阈值,这可以达接收窗口平滑增长的效果*/
            free_space = tp->rcv_ssthresh;  
    
        /* Don't do rounding if we are using window scaling, since the scaled window will
         * not line up with the MSS boundary anyway.
         */
        window = tp->rcv_wnd;
        if (tp->rx_opt.rcv_wscale) { /* 接收窗口扩大因子不为零*/
            window = free_space;
    
            /* Advertise enough space so that it won't get scaled away.
             * Import case: prevent zero window announcement if 1 << rcv_wscale > mss.
             * 防止四舍五入造通告的接收窗口偏小。
              */
            if (((window >> tp->rx_opt.rcv_wscale) << tp->rx_opt.rcv_wscale) != window)
                window =(((window >> tp->rx_opt.rcv_wscale) + 1) << tp->rx_opt.rcv_wscale);
    
        } else {
            /* Get the largest window that is a nice multiple of mss.
             * Window clamp already applied above.
             * If our current window offering is within 1 mss of the free space we just keep it.
             * This prevents the divide and multiply from happening most of the time.
             * We also don't do any window rounding when the free space is too small.
             */
            /* 截取free_space中整数个mss,如果rcv_wnd和free_space的差距在一个mss以上*/
            if (window <= free_space - mss || window > free_space) 
                window = (free_space / mss) * mss;
            /* 如果free space过小,则直接取free space值*/
            else if (mss = full_space && free_space > window + (full_space >> 1))
                window = free_space;
            /* 当free_space -mss < window < free_space时,直接使用rcv_wnd,不做修改*/
        }    
    
        return window;
    }
    
    /* 剩余接收缓存的3/4。
     * Note: caller must be prepared to deal with negative returns.
     */
    static inline int tcp_space (const struct sock *sk)
    {
        return tcp_win_from_space(sk->sk_rcvbuf - atomic_read(&sk->sk_rmem_alloc));
    }
    
    static inline int tcp_win_from_space(int space)
    {
        return sysctl_tcp_adv_win_scale <= 0 ? (space >> (-sysctl_tcp_adv_win_scale)) :
            space - (space >> sysctl_tcp_adv_win_scale);
    }
    
    /* 最大的接收缓存的3/4 */
    static inline int tcp_full_space(const struct sock *sk)
    {
        return tcp_win_from_space(sk->sk_rcvbuf);
    }
    

    总体来说,新的接收窗口大小值为:剩余接收缓存的3/4,但不能超过接收缓存的阈值。

    总之,接收窗口的调整算法主要涉及:

    (1)window_clamp和sk_rcvbuf的调整。

    (2)rcv_ssthresh接收窗口当前阈值的动态调整,一般增长2*advmss。

    (3)rcv_wnd接收窗口的动态调整,一般为min(3/4 free space in sk_rcvbuf, rcv_ssthresh)。

    如果剩余的接收缓存够大,rcv_wnd受限于rcv_ssthresh。这个时候每收到一个大的数据包,rcv_wnd就增大2920字节(由于缩放原因这个值可能波动)。这就像慢启动一样,接收窗口指数增长。

    接收窗口当然不能无限制增长,当它增长到一定大小时,就会受到一系列因素的限制,比如window_clamp和sk_rcvbuf,或者剩余接收缓存区大小。

    当应用程序读取接收缓冲区数据不够快时,或者发生了丢包时,接收窗口会变小,这主要受限于剩余的接收缓存的大小。

    五、实验环节

    这里要给大家推荐一个超好用的网络协议分析工具,wireshark。网上可以免费下载。

    我选择的是无线网卡WLAN

    这里使用wireshark抓取baidu.com的TCP报文。可以看到,No.36是本机对服务器之前发送数据(No.31)的一个ACK确认(ACK的Flag标记成1),同时声明窗口大小(window size)为1040。

    紧接着是No.37对No.30发送一个ACK确认,受系统进程资源的影响,这时窗口的大小动态调整为948。

    可以看到滑动窗口确实是会自动调整的。

    六、总结

    在这篇中,我们认真全面地探讨了TCP滑动窗口的原理,从基本定义到源码分析应有尽有。一般而言,准备面试的话不需要到源码那一步的。

    TCP滑动窗口主要有以下作用:

    1. TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制,防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出,主要是根据网络情况动态调整窗口大小

    2. TCP将数据分段发送,确保发送的数据到达接收端也是正确的。利用的是“空洞”。TCP不会对每个数据包都返回ACK,而是累计返回的。

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        本文标题:TCP 滑动窗口是个什么东西?这篇讲清楚

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