TCP协议详解三：数据的传输及滑动窗口协议

数据的传输

1. tcp传输的数据分类

• 成块数据传输：量大，报文段常常满
• 交互数据传输：量小，报文段为微小分组，大量微小分组，在广域网传输会增加拥堵的出现
• tcp处理的数据包括两类，有不同的特点，需要不同的传输技术

2. 交互数据的传输技术

2.1 经受时延的确认

• 概念：tcp收到数据时，并不立马发送ack确认，而是稍后发送
• 目的：将ack与需要沿该方向发送的数据一起发送，以减少开销
• 特点：接收方不必确认每一个收到的分组，ACk是累计的，它表示接收方已经正确收到了一直到确认序号-1的所有字节
• 延时时间：绝大多数为200ms。不能超过500ms

2.2 Nagle算法

• 解决什么问题：微小分组导致在广域网出现的拥堵问题
• 核心：减少了通过广域网传输的小分组数目
• 原理：要求一个tcp连接上最多只能有一个未被确认的未完成的分组，该分组的确认到达之前，不能发送其他分组。tcp收集这些分组，确认到来之前以一个分组的形式发出去
• 优点：自适应。确认到达的快，数据发送越快。确认慢，发送更少的组。
• 使用注意：局域网很少使用该算法。且有些特殊场景需要禁用该算法

3. 成块数据的传输

• 主要使用滑动窗口协议

滑动窗口协议

1. 概述

• 解决了什么问题：发送方和接收方速率不匹配时，保证可靠传输和包乱序的问题
• 机制：接收方根据目前缓冲区大小，通知发送方目前能接收的最大值。发送方根据接收方的处理能力来发送数据。通过这种协调机制，防止接收端处理不过来。
• 窗口大小：接收方发给发送端的这个值称为窗口大小

2. tcp缓冲区的数据结构

• 接收端：
  • LastByteRead: 缓冲区读取到的位置
  • NextByteExpected：收到的连续包的最后一个位置
  • LastByteRcvd：收到的包的最后一个位置
  • 中间空白区：数据没有到达
• 发送端：
  • LastByteAcked: 被接收端ack的位置，表示成功发送确认
  • LastByteSent：发出去了，还没有收到成功确认的Ack
  • LastByteWritten：上层应用正在写的地方

3. 滑动窗口示意图

3.1 初始时示意图

• 黑框表示滑动窗口
• #1表示收到ack确认的数据
• #2表示还没收到ack的数据
• #3表示在窗口中还没有发出的（接收方还有空间）
• #4窗口以外的数据（接收方没空间）

3.2 滑动过程示意图

• 收到36的ack，并发出46-51的字节

4. 拥塞窗口

• 解决什么问题：发送方发送速度过快，导致中转路由器拥堵的问题
• 机制：发送方增加一个拥塞窗口（cwnd），每次受到ack，窗口值加1。发送时，取拥塞窗口和接收方发来的窗口大小取最小值发送
• 起到发送方流量控制的作用

5. 滑动窗口会引发的问题

5.1 零窗口

• 如何发生： 接收端处理速度慢，发送端发送速度快。窗口大小慢慢被调为0
• 如何解决：ZWP技术。发送zwp包给接收方，让接收方ack他的窗口大小。

5.2 糊涂窗口综合征

• 如何发生：接收方太忙，取不完数据，导致发送方越来越小。最后只让发送方传几字节的数据。
• 缺点：数据比tcp和ip头小太多，网络利用率太低。
• 如何解决：避免对小的窗口大小做响应。
  • 发送端：前面说到的Nagle算法。
  • 接收端：窗口大小小于某个值，直接ack（0），阻止发送数据。窗口变大后再发。