滑动窗口协议

滑动窗口协议（Sliding Window Protocol）属于TCP协议的一种应用，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。

TCP通过滑动窗口来进行流量控制。设想在发送端发送数据的速度很快而接收端接收速度却很慢的情况下，为了保证数据不丢失，显然需要进行流量控制， 协调好通信双方的工作节奏。所谓滑动窗口，可以理解成接收端所能提供的缓冲区大小。TCP利用一个滑动的窗口来告诉发送端对它所发送的数据能提供多大的缓冲区。由于窗口由16位bit所定义，所以接收端TCP 能最大提供65535个字节的缓冲。由此，可以利用窗口大小和第一个数据的序列号计算出最大可接收的数据序列号。 

滑动窗口本质上是描述接受方的TCP数据报缓冲区大小的数据，发送方根据这个数据来计算自己最多能发送多长的数据。如果发送方收到接受方的窗口大小为0的TCP数据报，那么发送方将停止发送数据，等到接受方发送窗口大小不为0的数据报的到来。 

       窗口合拢：当窗口从左边向右边靠近的时候，这种现象发生在数据被发送和确认的时候。   
       窗口张开：当窗口的右边沿向右边移动的时候，这种现象发生在接受端处理了数据以后。   
       窗口收缩：当窗口的右边沿向左边移动的时候，这种现象不常发生。   
       TCP就是用这个窗口，慢慢的从数据的左边移动到右边，把处于窗口范围内的数据发送出去（但不用发送所有，只是处于窗口内的数据可以发送。）。这就是窗口的意义。窗口的大小是可以通过socket来制定的，4096并不是最理想的窗口大小，而16384则可以使吞吐量大大的增加。

A————C————B

如上图，A与B之间建立TCP连接，滑动窗口实现有两个作用： 

由于对称性，只考虑A端发送窗口和B端接收窗口，有如下两个作用 

1、B端来不及处理接收数据（控制不同速率主机间的同步），这时，A通过B端通知的接收窗口而减缓数据的发送。
2、B端来得及处理接收数据，但是在A与B之间某处如C，使得AB之间的整体带宽性能较差，此时，A端根据拥塞处理策略（慢启动，加倍递减和缓慢增加）来更新窗口，以决定数据的发送。   

与固定大小的滑动窗口协议相比，TCP采用可变大小的滑动窗口协议是为了取得更好的性能。   

TCP是一个广域网协议，而广域网环境下的路由器和主机，各自有着不同的性能和处理能力，在这种情况下，采用固定窗口大小的滑动窗口协议会引起性能上的损失。TCP规定窗口的大小是由接收方通告的，通过采取慢启动和拥塞避免算法等机制来使带宽和性能取得最佳。

1. “窗口”对应的是一段可以被发送者发送的字节序列，其连续的范围称之为“窗口”；

2. “滑动”则是指这段“允许发送的范围”是可以随着发送的过程而变化的，方式就是按顺序“滑动”。

1. TCP协议的两端分别为发送者A和接收者B，由于是全双工协议，因此A和B应该分别维护着一个独立的发送缓冲区和接收缓冲区，由于对等性（A发B收和B发A收），我们以A发送B接收的情况作为例子；
2. 发送窗口是发送缓存中的一部分，是可以被TCP协议发送的那部分，其实应用层需要发送的所有数据都被放进了发送者的发送缓冲区；
3. 发送窗口中相关的有四个概念：已发送并收到确认的数据（不再发送窗口和发送缓冲区之内）、已发送但未收到确认的数据（位于发送窗口之中）、允许发送但尚未发送的数据以及发送窗口外发送缓冲区内暂时不允许发送的数据
4. 每次成功发送数据之后，发送窗口就会在发送缓冲区中按顺序移动，将新的数据包含到窗口中准备发送；

TCP建立连接的初始，B会告诉A自己的接收窗口大小，比如为‘20’：字节31-50为发送窗口。

        

根据B给出窗口值，A构造自己的窗口

A发送11个字节后，发送窗口位置不变，B接收到了乱序的数据分组：

       

A发了11个字节数据

只有当A成功发送了数据，即发送的数据得到了B的确认之后，才会移动滑动窗口离开已发送的数据；同时B则确认连续的数据分组，对于乱序的分组则先接收下来，避免网络重复传递：

        

A收到新的确认号，窗口向前滑动

        

发送窗口内的序号都属于已发送但未被确认

所谓流量控制，主要是接收方传递信息给发送方，使其不要发送数据太快，是一种端到端的控制。主要的方式就是返回的ACK中会包含自己的接收窗口的大小，并且利用大小来控制发送方的数据发送：

        

这里面涉及到一种情况，如果B已经告诉A自己的缓冲区已满，于是A停止发送数据；等待一段时间后，B的缓冲区出现了富余，于是给A发送报文告诉A我的rwnd大小为400，但是这个报文不幸丢失了，于是就出现A等待B的通知||B等待A发送数据的死锁状态。为了处理这种问题，TCP引入了持续计时器（Persistence timer），当A收到对方的零窗口通知时，就启用该计时器，时间到则发送一个1字节的探测报文，对方会在此时回应自身的接收窗口大小，如果结果仍未0，则重设持续计时器，继续等待。

拥塞控制产生的原因

∑对资源的需求>可用资源

注意
单纯的增加网络资源无法解决问题
例如：把结点的存储空间扩大，更换更高速率的链路，提高结点处理机的运算速度，不仅不能解决问题，而且可能使网络性能更坏。
原因：网络拥塞是许多因素引起的，单纯的解决一个可能会使上述情况得到一些缓解，但是会把拥塞转移到其他地方。
扩大结点存储空间——>由于输出链路的容量和处理机的速度并未提高，增大排队等待时间，超时重传，浪费资源。
更换更高速率的链路——>可能会缓解，，有可能造成各部分不匹配。

拥塞控制的作用

注意
拥塞控制与流量控制的区别
拥塞控制是防止过多的数据注入到网络中，可以使网络中的路由器或链路不致过载，是一个全局性的过程。
流量控制是点对点通信量的控制，是一个端到端的问题，主要就是抑制发送端发送数据的速率，以便接收端来得及接收。

拥塞的标志

1.重传计时器超时
2.接收到三个重复确认

拥塞控制的机制

慢开始与拥塞避免

慢开始

1.慢开始不是指cwnd的增长速度慢（指数增长），而是指TCP开始发送设置cwnd=1。
2.思路：不要一开始就发送大量的数据，先探测一下网络的拥塞程度，也就是说由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。这里用报文段的个数的拥塞窗口大小举例说明慢开始算法，实时拥塞窗口大小是以字节为单位的。如下图：

3.为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，设置一个慢开始门限（ssthresh状态变量）
当cnwd＜ssthresh，使用慢开始算法
当cnwd=ssthresh，既可使用慢开始算法，也可以使用拥塞避免算法
当cnwd＞ssthresh，使用拥塞避免算法

拥塞避免（按线性规律增长）

1.拥塞避免并非完全能够避免拥塞，是说在拥塞避免阶段将拥塞窗口控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。
2.思路：让拥塞窗口cwnd缓慢地增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞控制窗口加一。

无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（其根据就是没有收到确认，虽然没有收到确认可能是其他原因的分组丢失，但是因为无法判定，所以都当做拥塞来处理），就把慢开始门限设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半。然后把拥塞窗口设置为1，执行慢开始算法。

加法增大与乘法减小
乘法减小：无论是慢开始阶段还是拥塞避免，只要出现了网络拥塞（超时），就把慢开始门限值ssthresh减半
加法增大：执行拥塞避免算法后，拥塞窗口线性缓慢增大，防止网络过早出现拥塞

快重传与快恢复

快重传

1.快重传要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方）而不要等到自己发送数据时捎带确认。快重传算法规定，发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。

2.由于不需要等待设置的重传计时器到期，能尽早重传未被确认的报文段，能提高整个网络的吞吐量。

快恢复（与快重传配合使用）

1.采用快恢复算法时，慢开始只在TCP连接建立时和网络出现超时时才使用。
2.当发送方连续收到三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法，把ssthresh门限减半。但是接下去并不执行慢开始算法。
3.考虑到如果网络出现拥塞的话就不会收到好几个重复的确认，所以发送方现在认为网络可能没有出现拥塞。所以此时不执行慢开始算法，而是将cwnd设置为ssthresh的大小，然后执行拥塞避免算法。

注意
发送方窗口的上限值=Min（接受窗口rwnd，拥塞窗口cwnd）
rwnd＞cwnd 接收方的接收能力限制发送方窗口的最大值
rwnd＜cwnd 网络的拥塞限制发送方窗口的最大值

腾讯面试题

TCP的拥塞控制机制是什么？请简单说说。
答：我们知道TCP通过一个定时器（timer）采样了RTT并计算RTO，但是，如果网络上的延时突然增加，

那么，TCP对这个事做出的应对只有重传数据，然而重传会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，这就导致了恶性循环，最终形成“网络风暴” —— TCP的拥塞控制机制就是用于应对这种情况。
首先需要了解一个概念，为了在发送端调节所要发送的数据量，定义了一个“拥塞窗口”（Congestion Window），在发送数据时，将拥塞窗口的大小与接收端ack的窗口大小做比较，取较小者作为发送数据量的上限。
拥塞控制主要是四个算法：

一.慢开始：

意思是刚刚加入网络的连接，一点一点地提速，不要一上来就把路占满。
1.慢开始不是指cwnd的增长速度慢（指数增长），而是指TCP开始发送设置cwnd=1。
2.思路：不要一开始就发送大量的数据，先探测一下网络的拥塞程度，也就是说由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。

3.为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，设置一个慢开始门限（ssthresh状态变量）
当cnwd＜ssthresh，使用慢开始算法
当cnwd=ssthresh，既可使用慢开始算法，也可以使用拥塞避免算法
当cnwd＞ssthresh，使用拥塞避免算法

二.拥塞避免：

当拥塞窗口 cwnd 达到一个阈值时，窗口大小不再呈指数上升，而是以线性上升，避免增长过快导致网络拥塞。
每当收到一个ACK，发送方的cwnd = cwnd + 1/cwnd
每当过了一个RTT，发送方的cwnd = cwnd + 1

拥塞发生：当发生丢包进行数据包重传时，表示网络已经拥塞。分两种情况进行处理：
等到RTO超时，重传数据包（没有收到三个重复确认）
慢开始门限sshthresh = cwnd /2
cwnd 重置为 1，执行慢开始算法

三.进入慢启动过程
在收到三个重复确认（duplicate ACK）时就开启重传，而不用等到RTO超时
sshthresh = cwnd = cwnd /2
进入快速恢复算法——Fast Recovery

四.快速恢复：至少收到了三个重复确认（duplicate ACK），说明网络也不那么糟糕，可以快速恢复。
cwnd = sshthresh + 3 * MSS （3的意思是确认有3个数据包被收到了）
重传duplicate ACK指定的数据包
如果再收到duplicate ACK，那么cwnd = cwnd +1
如果收到了新的Ack，那么，cwnd = sshthresh ，然后就进入了拥塞避免的算法了。

RTT和RTO概念(参考：TCP中的RTT和RTO_tcp rtt-CSDN博客)

TCP作为一个面向连接的、可靠的传输协议，内部实现了一个重传计时器来保证数据能传输到对方。每发送一个数据包，就给这个数据设置一个重传计时器。如果在计时器超时之前收到了针对这个数据包的ack，就取消这个计时器。如果没有收到，则开始发起重传。计时器超时的时间被称为RTO，这个时间的确定取决于RTT。

关于两者详细的解释：

• RTT(Round Trip Time)：一个连接的往返时间，即数据发送时刻到接收到确认的时刻的差值；
• RTO(Retransmission Time Out)：重传超时时间，即从数据发送时刻算起，超过这个时间便执行重传。