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TCP滑动窗口详解

互联网 diligentman 31分钟前 3次浏览

相较于UDP,TCP有以下区别:
1、可靠传输
2、流量控制

这两个功能都是依靠滑动窗口来实现的,本文就来解密TCP中的滑动窗口

TCP实现可靠传输依靠的有 序列号超时重传滑动窗口确认应答等机制。

序列号

首先我们说下序列号,TCP中将要发送的数据包的每个字节都分配了序列号,用来唯一标识一个字节。序列号随着数据包的发送而增加。

只有为每个字节分配一个序列号,每个数据包都对应着一个序列号区间,才能确定哪个数据包发送出现意外了。

序列号的初始化是由操作系统分配的,是一个32位的数字。

TCP初始化序列号不能设置为一个固定值,因为这样容易被攻击者猜出后续序列号,从而遭到攻击。

RFC1948中提出了一个较好的初始化序列号ISN随机生成算法

ISN = M + F(localhost, localport, remotehost, remoteport).

M是一个计时器,这个计时器每隔4us加1。

F是一个随机算法,根据源IP、目的IP、源端口、目的端口生成一个随机数值。

确认应答

当接收方收到一个数据包后,会直接返回一个ACK包,或者延迟一段时间返回一个ACK包,一次性确认多个数据包。

ACK包中有一个ack字段,代表着seq小于ack的数据包都已经被接收完毕。
TCP滑动窗口详解

超时重传

当TCP发送端发送了一个TCP数据包的时候,会设置一个定时器,如果在定时器期间没有收到接收方对这个数据包的确认应答包,也成为ACK包,就会重新发送对应的TCP数据包。

超时重传有以下两个原因:
1、数据包丢失
2、ack数据包丢失

TCP滑动窗口详解

超时时间的选择
超时时间既不能太长,又不能太短。

超时时间过长存在的问题:
当发生丢包的时候,需要等待好长时间才会重新发送,这个时候TCP就处于等待时期,什么也干不了,浪费资源,发送效率低下。

超时时间过短存在的问题:
如果超时时间太短,会发生多次发送重复包的情况。当ACK包还在路上的时候,由于超时时间太短而导致发送端重复的发送不必要的数据包。会加重网络的负担,导致网络阻塞等问题。网络发生阻塞的话,会进一步正反馈导致更多的重传。

重传超时时间简称为RTO

RTO是略大于RTT的。

RTT指的是一个数据包从发送到接收到ACK确认包的花费时间,RTT是会随着网络的变化而变化,是会波动的。

滑动窗口的出现原因

滑动窗口 分为 发送窗口接收窗口

发送窗口 用来 发送数据

接收窗口 用来 接收数据

客户端和服务器端 都有一个 发送窗口接收窗口

为什么会引入滑动窗口呢?

如果不存在发送窗口的话,TCP发送一个数据包后会等待ACK包,因为必须要保存对应的数据包,数据包很有可能需要重新发送。

这样的话发送效率会很慢。大部分时间都在等待。
TCP滑动窗口详解

引入了发送窗口,发送窗口的做法是:

只要处于窗口范围中的字节都可以被发送,不需要等待前面字节的ack包。

发送窗口的本质就是在操作系统中开辟的一块缓冲区,用来存放当前需要发送的数据。当接收到ack的时候,会将seq小于ack的数据从缓冲区中移除,可以发送新的数据。

如果发送窗口的大小为3个TCP数据包,那么发送方就可以连续发送3个TCP数据包,而不用等待前2个数据包的ack包。

TCP滑动窗口详解

滑动窗口详解

发送窗口

TCP滑动窗口详解
发送窗口分为四个部分:
1、已经发送并且已经收到ack包的数据
2、已经发送还未接收到ack包的数据
3、允许发送但是还未发送的数据
4、不允许发送的数据

TCP中用三个指针来区分这个四个部分
TCP滑动窗口详解
指针1: 指向第一个已发送但是未接收到ack的字节
指针2: 指向第一个允许发送但是还未发送的字节
指针3: 发送窗口的大小

这时还允许发送数据,就会将可用窗口中的数据发送给接收窗口。

TCP滑动窗口详解

这个时候,可用窗口大小为0,这个时候会等待接收方发送ack包。

如果这个时候如果接收一个ack包为37,这个时候发送窗口会向右边移动5位,52-56会变成可用窗口。
TCP滑动窗口详解

接收窗口

接收窗口中的字节序列号都是与发送窗口一一对应的。
TCP滑动窗口详解
接收窗口分为三部分:
1、已经接收的数据
已经接收到的数据,

2、接收窗口中的数据
接收窗口中数据是可以接收数据,但是还未收到数据的区域

3、还未收到的数据
还不能接收数据的区域

接收窗口由一个RCV_NEXT和接收窗口大小window来维护。

接收窗口有以下情况:

1、当数据包的seq == RCV_NEXT的数据包的时候,将接收窗口的RCV_NEXT右移到第一个空的槽位中;

2、当数据包的seq > RCV_NEXT 并且seq < RCV_NEXT+ window的时候,会将其加入到滑动窗口中对应的位置。

3、如果数据包的seq < RCV_NEXT,说明该数据包已经被接收了,但是对应的ack包因为阻塞或者异常没有发送到发送方。
这时接收方会利用其发送窗口发送一个ack包。

滑动窗口的大小

发送窗口的大小要取决于接收窗口,如果发送窗口大于接收窗口的大小,会导致接收窗口无法完全接收数据包,导致一些数据包被丢弃,导致发送窗口的超时重传,浪费资源

tcp报文头部中有一个window字段,代表着接收窗口的接收数据能力,发送窗口会根据window字段来调整发送窗口大小,保证接收窗口正常接收数据包。

发送窗口的大小不能超过接收窗口的大小,否则接收窗口不能正常接收数据。


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