TCP发送窗口、接收窗口以及其工作原理

上面的图表是从发送方的角度拍摄的快照。我们可以将数据分为4组：

• 已发送并已确认的字节(蓝色)
• 已发送但尚未确认的字节(黄色)
• 未发送但接收方准备好接收的字节(绿色)
• 未发送且接收方未准备好接收的字节(灰色)

第3类也称为可用窗口，因为这是发送方可以使用的窗口。

发送窗口包括黄色和绿色部分。这些字节要么已经被发送，要么可以被发送。

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可用窗口在发送方发送了21-25字节并使用了可用窗口中的所有字节时可能为空。发送窗口保持不变。

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当发送方接收到16-19字节的确认时，发送窗口向右滑动4个字节。队列中的接下来的字节会有一个更新的可用窗口。

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一些定义可以帮助我们更好地理解本文后面的复杂情况：

• SND.WND，表示发送窗口
• SND.UNA，表示发送未确认指针，指向发送窗口的第一个字节
• SND.NXT，表示发送下一个指针，指向可用窗口的第一个字节

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基于这些定义，我们可以用以下公式表示可用窗口的大小。

接收窗口

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接收窗口分为3个类别：

• 已接收并已确认的字节
• 尚未接收但发送方允许发送的字节
• 尚未接收且发送方可能不允许发送的字节

第2类被称为接收窗口，也可以称为RCV.WND。

与发送窗口类似，有一个指针RCV.NXT，表示接收窗口的第一个字节。

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接收窗口并非静态。如果服务器运行得高效，接收窗口可以扩展。否则，它可能会缩小。

接收方通过在TCP段头中的窗口字段中指示大小来传达其接收窗口。当发送方收到它时，这个窗口大小就成为了可用窗口。

发送和接收段需要时间。因此，接收窗口在特定时刻不等于可用窗口。

简化的示例

让我们模拟一次请求和响应，以更好地理解滑动窗口的工作原理。

有两个修改简化了我们的计算。

• 我们忽略了最大段大小(MSS)。MSS根据所选的网络路由而变化。
• 我们使接收窗口等于可用窗口，而且在整个过程中都保持不变。

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上面是一个显示了10个步骤示例的图表。

客户端请求一个资源，服务器以三个段响应它：

• 50字节的头部
• 80字节的正文部分1
• 100字节的正文部分2

每一方都可以同时是发送方和接收方。

我们假设客户端的发送窗口(SND.WND)为300字节，接收窗口(RCV.WND)为150字节。因此，服务器的SND.WND为150字节，RCV.WND为300字节。

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这是客户端的起始状态。

我们假设它之前已经从服务器接收了300字节，因此RCV.NXT指向301。

由于它还没有发送任何内容，SND.UNA和SND.NXT都指向1。

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根据这个公式，客户端的可用窗口大小是1 + 300 - 1 = 300。

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这是服务器的起始状态，反映了另一侧的状态。

因为它已经发送了300字节，SND.UNA和SND.NXT都指向301。

由于客户端还没有发送任何请求，RCV.NXT指向1。

服务器的可用窗口是301 + 150 - 301 = 150。

现在，第1步开始了。

客户端发送了第一个100字节的请求。在这一刻，窗口发生了变化。

• 这100字节已发送但尚未确认。因此，SND.NXT向右滑动了100字节。
• 其他指针保持不变。

可用窗口变为1 + 300 - 101 = 200。

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在第2步，我们关注了服务器。

• 当服务器接收到请求时，RCV.NXT向右滑动了100字节。
• 然后发送了带有ACK的50字节响应。这50字节已发送但尚未确认，所以SND.NXT向右移动了50个字节。
• SND.UNA保持不变。

可用窗口变为301 + 150 - 351 = 100。

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移动到客户端。

• 当客户端接收到50字节的响应时，RCV.NXT向右滑动了50字节。
• 当它收到前面发送的100字节的ACK时，SND.UNA向右滑动。
• 由于客户端没有发送任何数据，SND.NXT保持不变。

可用窗口变为101 + 300 - 101 = 300。

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再次移动到服务器的一端。

可用窗口是100字节。服务器可以发送80字节的段。

• SND.NXT向右滑动了80个字节。
• 由于前面的50字节尚未确认，SND.UNA保持不变。
• 由于服务器未接收任何数据，RCV.NXT保持不变。

可用窗口变为301 + 150 - 431 = 20。

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客户端接收了文件的第一部分并立即发送了ACK。

• 当客户端接收到80字节的数据时，RCV.NXT向右滑动。
• 其他指针保持不变。

可用窗口保持在300。

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此时，服务器在发送第2步时接收到ACK时。

• 当服务器发送50字节的响应时，SND.UNA向右滑动了50个字节。
• 其他指针保持不变。

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在第4步中，服务器发送了文件的第一个80字节部分，并再次收到了ACK确认。

• SND.UNA(已确认序列号)向右移动了80个字节。
• 其他指针保持不变。

可用窗口的计算变为431 + 150 - 431 = 150。

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在第8步，服务器发送了文件的第二部分，共100字节。

• SND.NXT(下一个要发送的序列号)向右移动了100个字节。
• 其他指针保持不变。

可用窗口的计算变为431 + 150 - 531 = 50。

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接下来，轮到客户端。

• RCV.NXT(下一个要接收的序列号)在客户端接收100字节后向右移动了100个字节。
• 其他指针保持不变。

可用窗口保持不变。

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最后，服务器接收了前一个响应的ACK。

• SND.UNA向右移动了100个字节。
• 其他指针保持不变。

可用窗口的计算变为531 + 150 - 531 = 150。

当窗口发生变化

在之前，我们假设发送窗口和接收窗口保持不变。但在实际情况中，这个假设是不正确的，因为两个窗口中的字节存在于操作系统缓冲区中，而缓冲区中的可用空间可以调整。当我们的应用程序无法快速读取缓冲区中的字节时，可用空间会减小。

让我们看看窗口发生变化的情况，以及它如何影响可用窗口。

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为了简化，本例重点关注客户端的可用窗口。在这个示例中，客户端始终是发送方，服务器是接收方。

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当服务器发送ACK时，它还包括了更新后的窗口大小。

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一开始，客户端发送了一个150字节的请求。

• 这150字节已发送但尚未得到确认。
• 可用窗口缩小为150字节。
• 发送窗口保持在300字节。

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当服务器接收请求时，应用程序读取了前50字节，剩下的100字节仍然在缓冲区中，从接收窗口中占用了100字节的可用空间。因此，接收窗口缩小到了200字节。

接下来，服务器发送了一个带有更新后的200字节接收窗口的ACK。

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客户端接收ACK并将其发送窗口大小更新为200。

此时，可用窗口与发送窗口相同，因为所有150字节都已得到确认。

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再次，客户端发送了另一个200字节的请求，使用了可用窗口中的所有可用空间。

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在服务器接收了这200字节之后，应用程序仍然运行缓慢，总共只读取了70字节，将280字节留在缓冲区中。这导致接收窗口再次缩小，现在只剩下20字节。

在ACK消息中，服务器与客户端分享了更新后的窗口大小。

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再次，客户端在收到ACK后将其发送窗口更新为20字节，可用窗口也变为20字节。

在这种情况下，如果没有更多来自服务器的消息，客户端将停止发送大于20字节的请求，直到在后续消息中收到另一个窗口更新。

那么，如果没有更多消息来自服务器，我们会被困在20字节的可用窗口吗?

不会。为了避免这种情况，客户端的TCP定期检测窗口大小。

一旦释放更多的空间，

可用窗口就会扩大，可以发送更多的数据。

主要内容

• 可用窗口的计算是理解TCP滑动窗口的关键。
• 要了解可用窗口的计算，我们需要理解3个指针——SND.UNA、SND.NXT和RCV.NXT。
• 假设窗口大小永远不会改变可以帮助我们理解整个过程。