滑动窗口原理

TCP 滑动窗口

作用：

    1. 提供TCP可靠性：对发送的数据进行确认
    2. 流量控制：窗口大小随链路变化

一、TCP窗口机制

    TCP中窗口大小是指tcp协议一次传输多少个数据。因为TCP是一个面向连接的可靠的传输协议，既然是可靠的就需要传输的数据进行确认。TCP窗口机制有两种，一种是固定窗口大小，另一种是滑动窗口。数据在传输时，TCP会对所有数据进行编号，发送方在发送过程中始终保持着一个窗口，只有落在发送窗口内的数据帧才允许被发送；同时接收方也始终保持着一个接收窗口，只有落在窗口内的数据才会被接收。这样通过改变发送窗口和接收窗口的大小就可以实现流量控制。

二、TCP窗口大小

 TCP的窗口滑动技术通过动态改变窗口的大小来调节两台主机之间数据传输。每个TCP/IP主机支持全双工数据传输，因此TCP有两个滑动窗口，一个用于接收数据，一个用于发送数据。接收方设备要求窗口大小为0时，表明接收方已经接收了全部数据，或者接收方应用程序没有时间读取数据，要求暂停发送。
    TCP在传送数据时，第一次接受方窗口大小是由链路带宽决定的，但是接收方在接收到的数据后，返回ack确认报文，同时也告诉了发送方自己的窗口大小，此时发送方第二次发送数据时，会改变自己的窗口大小和接收方一致。
    当窗口过大时，会导致不必要的数据来拥塞我们的链路，但是窗口太小时，会造成很大的延时，比如为1时，发送方每发送一个数据，接收方就会返回一个ack报文，在发送方未接收到接收方的确认报文ack之前不会进行下一次发送。（当链路变好了或者变差了这个窗口还会发生变化，并不是第一次协商好了以后就永远不变了。）

三、窗口滑动协议

    窗口滑动协议是TCP使用的一种流量控制方法。该协议允许发送方在停止并等待接收确认报文前可以连续发送多个分组。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。只有在接收窗口向前滑动时（与此同时也发送了确认），发送窗口才有可能向前滑动。收发两端的窗口按照以上规律不断地向前滑动，因此这种协议又称为滑动窗口协议。

 

滑动窗口协议：

  • TCP协议的使用
  • 维持发送方/接收方缓冲区 缓冲区是 用来解决网络之间数据不可靠的问题，例如丢包，重复包，出错，乱序

在TCP协议中，发送方和接受方通过各自维护自己的缓冲区。通过商定包的重传机制等一系列操作，来解决不可靠的问题。

问题一：如何保证次序？

提出问题：在我们滑动窗口协议之前，我们如何来保证发送方与接收方之间，每个包都能被收到。并且是按次序的呢？

发送方发送一个包1，这时候接收方确认包1。发送包2，确认包2。就这样一直下去，知道把数据完全发送完毕，这样就结束了。那么就解决了丢包，出错，乱序等一些情况！同时也存在一些问题。问题：吞吐量非常的低。我们发完包1，一定要等确认包1.我们才能发送第二个包。

问题二：如何提高吞吐量？

如图，这个就是我们把两个包一起发送，然后一起确认。可以看出我们改进的方案比之前的好很多，所花的时间只是一个来回的时间。接下来，我们还有一个问题：改善了吞吐量的问题

问题三：如何实现最优解？

问题：我们每次需要发多少个包过去呢？发送多少包是最优解呢？

 

我们能不能把第一个和第二个包发过去后，收到第一个确认包就把第三个包发过去呢？而不是去等到第二个包的确认包才去发第三个包。这样就很自然的产生了我们"滑动窗口"的实现。

在图中，我们可看出灰色1号2号3号包已经发送完毕，并且已经收到Ack。这些包就已经是过去式。4、5、6、7号包是黄色的，表示已经发送了。但是并没有收到对方的Ack，所以也不知道接收方有没有收到。8、9、10号包是绿色的。是我们还没有发送的。这些绿色也就是我们接下来马上要发送的包。 可以看出我们的窗口正好是11格。后面的11-16还没有被读进内存。要等4号-10号包有接下来的动作后，我们的包才会继续往下发送。

 

正常情况

 

 

可以看到4号包对方已经被接收到，所以被涂成了灰色。“窗口”就往右移一格，这里只要保证“窗口”是7格的。 我们就把11号包读进了我们的缓存。进入了“待发送”的状态。8、9号包已经变成了黄色，表示已经发送出去了。接下来的操作就是一样的了，确认包后，窗口往后移继续将未发送的包读进缓存，把“待发送“状态的包变为”已发送“。
 

丢包情况

有可能我们包发过去，对方的Ack丢了。也有可能我们的包并没有发送过去。从发送方角度看就是我们没有收到Ack。

 

发生的情况：一直在等Ack。如果一直等不到的话，我们也会把读进缓存的待发送的包也一起发过去。但是，这个时候我们的窗口已经发满了。所以并不能把12号包读进来，而是始终在等待5号包的Ack。
 

超时重发

这时候我们有个解决方法：超时重传 这里有一点要说明：这个Ack是要按顺序的。必须要等到5的Ack收到，才会把6-11的Ack发送过去。这样就保证了滑动窗口的一个顺序。

 

这时候可以看出5号包已经接受到Ack，后面的6、7、8号包也已经发送过去已Ack。窗口便继续向后移动。