滑动窗口协议

滑动窗口协议

概述

滑动窗口协议是用于网络数据传输时的流量控制，以避免拥塞的发生。该协议允许发送方在停止并等待确认前发送多个数据分组。由于发送方不必每发一个分组就停下来等待确认，因此该协议可以加速数据的传输，提高网络吞吐量。

背景

如果过多的源同时以很快的速度发送大量的数据包，而此时接收方并没有如此高的接收数据的能力，因此极易导致网络的拥塞。所以，为了控制发送方的发送速度，防止发送方并考虑到受发送缓冲区大小的制约等，要求对发送方已发出但尚未经确认的帧的数目加以限制，同时使网络的传输效率得到提高，滑动窗口协议应运而生，它使得发送方可以在未收到确认的情况下，同时发送多个数据分组，由此大大提升了网络吞吐量。-流量控制

概念

传输的每个部分被分配唯一的连续序列号，接收方使用数字并以正确的顺序放置接收到的数据包，丢弃重复的数据包并识别丢失的数据。
协议中规定，对于窗口内未经确认的分组需要重传。这种分组的数量最多可以等于发送窗口的大小，即滑动窗口的大小n减去1
滑动窗口协议必须保证数据包的按序传输，发送窗口中的序列号代表已发送但尚未收到确认的数据包，发送窗口可持续地维持一系列未经确认的数据包，因为发送放窗口内的数据包可能在传输过程中丢失或损坏，所以发送过程必须把发送窗口中的所有数据包保存起来以备重传。发送窗口一旦达到最大值，发送过程就必须停止接收新的数据包，直到有空闲缓存区。接收窗口外的数据包都要丢弃，当序列号等于接收窗口下限的数据包到达时，把它提交给应用程序并向发送端发送确认，接收窗口向前移动一位。但接收窗口大小需保持固定，发送窗口大小可随着数据包而改变。

应用

停止等待协议（stop-and-wait）
这时接受方的窗口和发送方的窗口大小都是1，发送方这时每次只能发送一个，并且必须等待这个数据包的ACK，才能发送下一个。虽然在效率上比较低，带宽利用率明显较低，不过在网络环境较差，或是带宽本身很低的情况下，还是适用的。
回退n步协议（GO-BACK-N）
由于停止等待协议效率太低，因此有了回退n-步协议，这也是滑动窗口协议真正的用处，这里发送的窗口大小为n，接受方的窗口仍然为1。后退n协议的好处无疑是提高了效率，但是一旦网络情况糟糕，则会导致大量数据重发，反而不如上面的停等协议。
选择重传协议（selective repeat）
后退n协议的另外一个问题是，当有错误帧出现后，总是要重发该帧之后的所有帧，毫无疑问在网络不是很好的情况下会进一步恶化网络状况。
重传协议便是用来解决这个问题。原理也很简单，接收端总会缓存所有收到的帧，当某个帧出现错误时，只会要求重传这一个帧，只有当某个序号后的所有帧都正确收到后，才会一起提交给高层应用。重传协议的缺点在于接受端需要更多的缓存。

注意事项：

（1）发送方不必发送一个全窗口大小的数据。
（2）来自接收方的一个报文段确认数据并把窗口向右边滑动，这是因为窗口的大小是相对于确认序号的。
（3）窗口的大小可以减小，但是窗口的右边沿却不能够向左移动。
（4）接收方在发送一个ACK前不必等待窗口被填满。

协议改进：

由于“滑动窗口”协议的性能取决于窗口大小和网络接收数据包的速度，在流量不稳定的环境中，性能下降甚至可能会使网络发生冲突。 为了避免和提供端到端流量控制，可以建议“慢启动”协议。
对于该协议的改进主要集中在如何减少TCP报文重传方面，目前在TCP中每传输一个报文都要求接收方进行确认，大量短而频繁的确认报文给网络带来了很多开销。因此采取了延迟ACK策略来减少ACK的数量，就是接收方收到一个报文以后，不会立即发送ACK，而是等待1~200ms，这期间若有回送数据报文就捎带确认，但收到两个连续数据报文或者等待超时则发送一个独立确认。有效减少了ACK的数量，改善了TCP的整体性能。