Sliding Window 滑动窗口协议

TCP协议：首先，TCP建立连接之后，通信双方都同时可以进行数据的传输，其次，它是全双工的；在保证可靠性上，采用超时重传和捎带确认机制。 

在 流量控制上，采用滑动窗口协议，协议中规定，对于窗口内未经确认的分组需要重传。 

在 拥塞控制上，采用广受好评的TCP拥塞控制算法（也称AIMD算法），该算法主要包括三个主要部分：1，加性增、乘性减；2，慢启动；3，对超时事件做出反应。

一 、TCP头结构

TCP头结构
   TCP协议头最少20个字节，包括以下的区域：
   TCP源端口(Source Port)：16位的源端口其中包含初始化通信的端口。源端口和源IP地址的作用是标示报问的返回地址。
   TCP目的端口(Destination port)：16位的目的端口域定义传输的目的。这个端口指明报文接收计算机上的应用程序地址接口。
   TCP序列号（序列码,Sequence　Number）：32位的序列号由接收端计算机使用，重新分段的报文成最初形式。当SYN出现，序列码实际上是初始序列码（ISN），而第一个数据字节是ISN+1。这个序列号（序列码）是可以补偿传输中的不一致。
   TCP应答号(Acknowledgment   Number)：32位的序列号由接收端计算机使用，重组分段的报文成最初形式。，如果设置了ACK控制位，这个值表示一个准备接收的包的序列码。
   数据偏移量(HLEN)：4位包括TCP头大小，指示何处数据开始。
   保留(Reserved)：6位值域，这些位必须是0。为了将来定义新的用途所保留。
   标志(Code Bits)：6位标志：SYN(synchronous建立联机), ACK(acknowledgement确认)，PSH(push传送)，FIN(finish结束), RST(reset重置)，URG(urgent紧急)

   窗口(Window)：16位，用来表示想收到的每个TCP数据段的大小。
   校验位(Checksum)：16位TCP头。源机器基于数据内容计算一个数值，收信息机要与源机器数值 结果完全一样，从而证明数据的有效性。
   优先指针（紧急,Urgent  Pointer）：16位，指向后面是优先数据的字节，在URG标志设置了时才有效。如果URG标志没有被设置，紧急域作为填充。加快处理标示为紧急的数据段。
   选项(Option)：长度不定，但长度必须以字节。如果 没有 选项就表示这个一字节的域等于0。
   填充：不定长，填充的内容必须为0，它是为了数学目的而存在。目的是确保空间的可预测性。保证包头的结合和数据的开始处偏移量能够被32整除，一般额外的零以保证TCP头是32位的整数倍。

 

二、TCP三次握手

在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接。
第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态； 

第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。 完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据.

三、TCP滑动窗口

原理概述：
发送方和接受方都维持了一个窗口，窗口内部包含了那些可以接受的序列号。
发送方的窗口大小从0开始，以后可以增大到某一个预设的最大值。由于发送方可能在将来的某个时刻重传未被确认的帧，所以它必须把已经送出去的帧保留一段时间，直到他知道接受方已经接受了这些帧。当第n帧的确认到来时，第n-1,第n-2等也都被自动地确认了。
接受方的窗口总是固定大小的。接受方为其窗口内的每一个序列号保留了一个缓冲区。与每个缓冲区相连关联的还有一位，用来指明该缓冲区是满的还是空的。任何时候当一帧到达时，接受方通过between函数检查它的序列号，看是否落在窗口内。如果确实落在窗口内，并且以前还没有收到这一帧，则接受该帧，并且保存起来。

 

滑动窗口协议（Sliding Window Protocol）工作原理：
w发送的信息帧都有一个序号，从0到某个最大值，0 ~ 2n - 1，一般用n个二进制位表示。
w发送端始终保持一个已发送但尚未确认的帧的序号表，称为发送窗口。发送窗口的上界表示要发送的下一个帧的序号，下界表示未得到确认的帧的最小编号。发送窗口 = 上界 — 下界，大小可变。
w发送端每发送一个帧，序号取上界值，上界加1；每接收到一个正确响应帧，下界加1。
w接收端有一个接收窗口，大小固定，但不一定与发送窗口相同。接收窗口的上界表示允许接收的序号最大的帧，下界表示希望接收的帧。
w接收窗口表示允许接收的信息帧，落在窗口外的帧均被丢弃。序号等于下界的帧被正确接收，并产生一个响应帧，下界加1。接收窗口大小不变。

滑动窗口机制 

    滑动窗口协议的基本原理就是在任意时刻，发送方都维持了一个连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；同时，接收方也维持了一个连续的允许接收的帧的序号，称为接收窗口。发送窗口和接收窗口的序号的上下界不一定要一样，甚至大小也可以不同。不同的滑动窗口协议窗口大小一般不同。发送方窗口内的序列号代表了那些已经被发送，但是还没有被确认的帧，或者是那些可以被发送的帧。下面举一个例子（假设发送窗口尺寸为2，接收窗口尺寸为1）：

分析：①初始态，发送方没有帧发出，发送窗口前后沿相重合。接收方0号窗口打开，等待接收0号帧；②发送方打开0号窗口，表示已发出0帧但尚确认返回信息。此时接收窗口状态不变；③发送方打开0、1号窗口，表示0、1号帧均在等待确认之列。至此，发送方打开的窗口数已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之前，发送方将暂停发送新的数据帧。接收窗口此时状态仍未变；④接收方已收到0号帧，0号窗口关闭，1号窗口打开，表示准备接收1号帧。此时发送窗口状态不变；⑤发送方收到接收方发来的0号帧确认返回信息，关闭0号窗口，表示从重发表中删除0号帧。此时接收窗口状态仍不变；⑥发送方继续发送2号帧，2号窗口打开，表示2号帧也纳入待确认之列。至此，发送方打开的窗口又已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之前，发送方将暂停发送新的数据帧，此时接收窗口状态仍不变；⑦接收方已收到1号帧，1号窗口关闭，2号窗口打开，表示准备接收2号帧。此时发送窗口状态不变；⑧发送方收到接收方发来的1号帧收毕的确认信息，关闭1号窗口，表示从重发表中删除1号帧。此时接收窗口状态仍不变。

 

若从滑动窗口的观点来统一看待1比特滑动窗口、后退n及选择重传三种协议，它们的差别仅在于各自窗口尺寸的大小不同而已。

1比特滑动窗口协议：发送窗口=1，接收窗口=1；

后退n协议：发窗口>1，接收窗口=1；

选择重传协议：发送窗口>1,接收窗口>1。

参考文献：

http://blog.csdn.net/yujun00/article/details/636495

http://www.cnblogs.com/hnrainll/archive/2011/10/14/2212415.html

http://blog.csdn.net/dog250/article/details/6612496#

动画展示：

http://www.osischool.com/protocol/Tcp/slidingWindow/index.php