TCP流量控制：滑动窗口协议

参考一：

TCP提供流量控制。ＴＣＰ总是告诉对端它能够接收多少字节的数据（通告窗口），该窗口在任何时刻都指出接收缓冲区中可用空间，从而确保发送端发送的数据不会溢出接收缓冲区。

如图所示，tcp发送主和接收方既有发送缓冲区，又有接收缓冲区，流量控制的滑动窗口通过探测接收端的可用缓冲区实现，而用于拥塞管理的拥塞窗口是通过限制发送端的发送速率实现的。图中向上箭头表示接收缓冲区，向下箭头表示发送缓冲区。

相关变量说明：

LastByteRead为接收端从接收缓冲区读取的最后一个字节报文编号；

LastByteRcv为从发送端经接收端ＩＰ层发给接收缓冲区的最后一个字节编号；

LastByteSent为发送端最新发出的一个字节编号；

LastByteAck为发送端已被确认的发送出去的数据字节编号；

　　

我们考虑接收端的缓冲区变化，当应用程序读取数据时，可用空间会变大，当收到　ip层分发的数据时，可用空间会变小，事实上，可以给出以下计算公式：

Advertise_Window=BUFFER-(LastByteRcv-LastByteRead);

其中LastByteRcv-LastByteRead为待读取的数据字节数，而BUFFER大小是固定的，那么可用的空间就是Advertise_Window,这就是接收端需要向发送端通告的大小变化的滑动窗口。

那么发送端发送的数据量应该在接收端能够承受的范围内，那么接收端还有多少数据在重发队列里面准备发送呢？就是LastByteSent-LastByteAck,因此有以下计算公式：

LastByteSent-LastByteAck<=Advertise_Window;

这就是滑动窗口的实现机制，为了让左边的数值变小，就要考虑减小LastByteSent,即减少新数据的发送，或者增大LastByteAck,等待更多发出去的报文被确认；当然，考虑到网络利用率，发送报文数据在滑动窗口限制范围内即可。

实际上，发送方发送数据速率还有拥塞窗口的限制，此处一并给出公式：

LastByteSent-LastByteAck<=MIN(Advertise_window,Cong_Window)

最后再给出通常意义的滑动窗口示意图：

假定待接收的数据（LastByteRcv-LastByteRead)是一个双向的栈，则此栈空间越小则接收端能够接收到的数据就越多。

当有新的数据从下层分发过来时，就相当于左侧入栈，栈占用空间变大；

当有数据被应用层读取时，就相当于右侧出栈，栈占用空间变小；

最后说明：通知窗口是在ＴＣＰ选项中协商的。

 

参考二：

一、滑动窗口
滑动窗口协议是传输层进行流控的一种措施，接收方通过通告发送方自己的窗口大小，从而控制发送方的发送速度，从而达到防止发送方发送速度过快而导致自己被淹没的目的。

对ACK的再认识，ack通常被理解为收到数据后给出的一个确认。事实上该确认是指接收端已经收到确认桢以前的所有的桢。举个例子，假如接收端收到 1-1024字节，它会发送一个确认号为1025的ACK,但是接下来收到的是2049-3072，它是不会发送确认号为3072的ACK,而依旧发送 1025的ACK。

滑动窗口协议如图所示:




在这个图中，我们将字节从1至11进行标号。接收方通告的窗口称为提出的窗口，它覆盖了从第4字节到第9字节的区域，表明接收方已经确认了包括第3字节在内的数据，且通告窗口大小为6。我们知道窗口大小是与确认序号相对应的。发送方计算它的可用窗口，该窗口表明多少数据可以立即被发送。当接收方确认数据后，这个滑动窗口不时地向右移动。窗口两个边沿的相对运动增加或减少了窗口的大小。我们使用三个术语来描述窗口左右边沿的运动：

• 称窗口左边沿向右边沿靠近为窗口合拢。这种现象发生在数据被发送和确认时。
  
• 当窗口右边沿向右移动时将允许发送更多的数据，我们称之为窗口张开。这种现象发生在另一端的接收进程读取已经确认的数据并释放了T C P的接收缓存时。
  
• 当右边缘向左移动时，称之为窗口收缩。

二、拥塞窗口
迄今为止，在本章所有的例子中，发送方一开始便向网络发送多个报文段，直至达到接收方通告的窗口大小为止。当发送方和接收方处于同一个局域网时，这种方式是可以的。但是如果在发送方和接收方之间存在多个路由器和速率较慢的链路时，就有可能出现一些问题。一些中间路由器必须缓存分组，并有可能耗尽缓存， [Jacobson 1988]证明了这种连接方式是如何严重降低了TCP连接的吞吐量的。现在，TCP需要支持一种被称为“慢启动(slow start)”的算法。该算法通过观察到新分组进入网络的速率应该与另一端返回确认的速率相同而进行工作。
慢启动为发送方的TCP增加了另一个窗口：拥塞窗口(congestion window)，记为cwnd。当与另一个网络的主机建立TCP连接时，拥塞窗口被初始化为1个报文段（即另一端通告的报文段大小）。每收到一个ACK，拥塞窗口就增加一个报文段（cwnd以字节为单位，但是慢启动以报文段大小为单位进行增加）。发送方取拥塞窗口与通告窗口中的最小值作为发送上限。拥塞窗口是发送方使用的流量控制，而通告窗口则是接收方使用的流量控制。
发送方开始时发送一个报文段，然后等待ACK。当收到该ACK时，拥塞窗口从1增加为2，即可以发送两个报文段。当收到这两个报文段的ACK时，拥塞窗口就增加为4。这是一种指数增加的关系。

 

参考三：

一、流量控制（滑动窗口协议）

 1、流量控制是管理两端的流量，以免会产生发送过块导致收端溢出，或者因收端处理太快而浪费时间的状态。用的是：滑动窗口，以字节为单位

2、窗口有3种动作：展开（右边向右），合拢（左边向右），收缩（右边向左）这三种动作受接收端的控制。

合拢：表示已经收到相应字节的确认了

展开：表示允许缓存发送更多的字节

收缩（非常不希望出现的，某些实现是禁止的）：表示本来可以发送的，现在不能发送；但是如果收缩的是那些已经发出的，就会有问题；为了避免，收端会等待到缓存中有更多缓存空间时才进行通信。

发端窗口的大小取决于收端的窗口大小rwnd（TCP报文的窗口大小字段）和拥塞窗口大小cwnd（见拥塞控制）

发端窗口大小 = min{ rwnd , cwnd };

3、关闭窗口：窗口缩回有个例外，就是发送rwnd=0表示暂时不愿意接收数据。这种情况下，发端不是把窗口收缩，二是停止发送数据。（为了比避免死锁，会用一些探测报定时发送试探，见定时器一节）

4、问题：某些时候，由于发端或收端的数据很慢，会引起大量的1字节数据痛惜，浪费很多资源。

（1）、发端的进程产生数据很慢时候，时不时的来个1字节数据，那么TCP就会1字节1字节的发送，效率很低。

解决方法（Nagle算法）：

a、将第一块数据发出去

b、然后等到发送缓存有足够多的数据（最大报文段长度），或者等到收端确认的ACK时再发送数据。

c、重复b的过程

（2）、收端进程由于消耗数据很慢，所以可能会有这么一种情况，收端会发送其窗口大小为1的信息，然后有是1字节的传输

解决办法（2种）

a、Clark方法：在接收缓存的一半变空，或者有足够空间放最大报文长度之前，宣告接收窗口大小为0

b、推迟确认：在对收到的报文段确认之前等待到足够的接收缓存，或者等待到一个时间段（现在一般定义500ms）

二、滑动窗口机制

(1).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。

(2).1比特滑动窗口协议

    当发送窗口和接收窗口的大小固定为1时，滑动窗口协议退化为停等协议（stop－and－wait）。该协议规定发送方每发送一帧后就要停下来，等待接收方已正确接收的确认（acknowledgement）返回后才能继续发送下一帧。由于接收方需要判断接收到的帧是新发的帧还是重新发送的帧，因此发送方要为每一个帧加一个序号。由于停等协议规定只有一帧完全发送成功后才能发送新的帧，因而只用一比特来编号就够了。其发送方和接收方运行的流程图如图所示。

         

(3).后退n协议

    由于停等协议要为每一个帧进行确认后才继续发送下一帧，大大降低了信道利用率，因此又提出了后退n协议。后退n协议中，发送方在发完一个数据帧后，不停下来等待应答帧，而是连续发送若干个数据帧，即使在连续发送过程中收到了接收方发来的应答帧，也可以继续发送。且发送方在每发送完一个数据帧时都要设置超时定时器。只要在所设置的超时时间内仍收到确认帧，就要重发相应的数据帧。如：当发送方发送了N个帧后，若发现该N帧的前一个帧在计时器超时后仍未返回其确认信息，则该帧被判为出错或丢失，此时发送方就不得不重新发送出错帧及其后的N帧。

   从这里不难看出，后退n协议一方面因连续发送数据帧而提高了效率，但另一方面，在重传时又必须把原来已正确传送过的数据帧进行重传（仅因这些数据帧之前有一个数据帧出了错），这种做法又使传送效率降低。由此可见，若传输信道的传输质量很差因而误码率较大时，连续测协议不一定优于停止等待协议。此协议中的发送窗口的大小为k，接收窗口仍是1。

(4).选择重传协议

    在后退n协议中，接收方若发现错误帧就不再接收后续的帧，即使是正确到达的帧，这显然是一种浪费。另一种效率更高的策略是当接收方发现某帧出错后，其后继续送来的正确的帧虽然不能立即递交给接收方的高层，但接收方仍可收下来，存放在一个缓冲区中，同时要求发送方重新传送出错的那一帧。一旦收到重新传来的帧后，就可以原已存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序递交高层。这种方法称为选择重发(SELECTICE REPEAT)，其工作过程如图所示。显然，选择重发减少了浪费，但要求接收方有足够大的缓冲区空间。

三、TCP滑动窗口（Sliding Window）

滑动窗口协议可以用图四来形象表示。

图中我们已经将字节进行了1到11的编号。由接收者通告的窗口称为提议窗口（offered window），它覆盖了第4到第9个字节，意味着接收方已经确认了第3字节之前（包括第3字节）的数据，并且通告窗口的大小是6。窗口大小与确认的顺序号（acknowledged sequence number）有关。发送者计算它的可用窗口（usable window），用以度量它可以立即发送多少数据。

随着接收者对收到数据的确认，滑动窗口随时向右移动。窗口两端的相关运动增加或减少着窗口大小。我们使用3个术语来描述窗口边缘（edge）的左右运动。

1．              当窗口左边缘靠近右边缘时称窗口闭合（window closes）。窗口闭合发生在数据已经发送并被确认的情况下。

2．              当窗口右边缘向右移动时称窗口打开（window opens）。窗口打开发生在另一端的接收进程读取已确认数据的时候，它释放了TCP接收缓冲区的空间。

3．              当窗口右边缘向左移动时称窗口收缩（window shrinks）。Host Requirement RFC强烈不鼓励这种做法，但TCP必须能够在一端发生这种情况时进行处理。

 

     图五表示了这三个术语。由于窗口的左边缘是受从连接另一端收到的确认号来控制的，因此它不会向左移动。如果收到一个ACK要求将左边缘向左移动，那么它是一个重复的（duplicate）的确认，并被丢弃。

如果窗口左边缘重合了右边缘，就称它为零窗口（zero window）。它将停止发送者传输任何数据。

示例

图六显示了图一数据传输中TCP滑动窗口的动态变化

 

以此图为例，我们可以总结几个要点：

1．  发送者不必传送满窗口大小的数据。

2．  收到接收者对数据的确认后，窗口向右滑动。这是由于窗口大小与确认顺序号相关。

3．  从段7到段8的变化，可以看出窗口可以减小，但窗口右边缘不能向左移动。

4．  接收者不必等待窗口被填满才发送确认。在许多实现中，接收者每收到两个段发送一个确认。