TCP滑动窗口协议

TCP面向流的滑动窗口确认机制

TCP是面向字节流的。

TCP消息确认机制

TCP消息确认机制如上图所示,首先,每一条消息都有一个识别编号,每一条消息都能够被独立地确认,因此同一时刻可以发送多条信息。设备B定期发送给A一条发送限制参数,制约设备A一次能发送的消息最大数量。设备B可以对该参数进行调整,以控制设备A的数据流。
为了提高速度,TCP并没有按照字节单个发送而是将数据流划分为片段。片段内所有字节都是一起发送和接收的,因此也是一起确认的。确认机制没有采用message ID字段,而是使用的片段内最后一个字节的sequence number。因此一次可以处理不同的字节数,这一数量即为片段内的sequence numb。

TCP滑动窗口原理

1)对于TCP会话的发送方,任何时候在其发送缓存内的数据都可以分为4类:

  • “已经发送并得到对端ACK的”,数据流中最早的字节已经发送并得到确认。这些数据是站在发送设备的角度来看的。如下图:31个字节已经发送并确认。
  • “已经发送但还未收到对端ACK的”,已发送但尚未得到确认的字节。发送方在确认之前,不认为这些数据已经被处理。如下图:浅蓝色部分。
  • “未发送但对端允许发送的”,如下图,绿色部分。
  • “未发送且对端不允许发送”,如下图,橙色部分。

接收方允许发送方一次能容纳的未确认的字节数。这称为发送窗口,有时也称为窗口。该窗口决定了发送方允许传送的字节数,也是“已经发送但还未收到对端ACK的”和“未发送但对端允许发送的”这两部之和(中间两部分)。

当收到接收方新的ACK对于发送窗口中后续字节的确认时,窗口滑动,滑动原理如下图。

每一次确认接收以后,这一过程都会发生,从而让窗口滑动过整个数据流以供传输。

2)对于TCP的接收方,在某一时刻在它的接收缓存内存在3种。“已接收”,“未接收准备接收”,“未接收并未准备接收”(由于ACK直接由TCP协议栈回复,默认无应用延迟,不存在“已接收未回复ACK”)。其中“未接收准备接收”称之为接收窗口。

下面举例就滑动窗口协议做出更详细的说明,这里为了简单起见设定发送方窗口大小为2,接受方大小为1。看下面图:

一:初始态,发送方没有帧发出,发送窗口前后沿相重合。接收方0号窗口打开,等待接收0号帧;
二:发送方打开0号窗口,表示已发出0帧但尚确认返回信息。 此时接收窗口状态不变;
三:发送方打开0、1号窗口,表示0、1号帧均在等待确认之列。至此,发送方打开的窗口数已达规定限度,在未收到新的确认返回帧之 前,发送方将暂停发送新的数据帧。接收窗口此时状态仍未变;
四:接收方已收到0号帧,0号窗口关闭,1号窗口打开,表示准备接收1号帧。此时发送窗口状态不 变;
五:发送方收到接收方发来的0号帧确认返回信息,关闭0号窗口,表示从重发表中删除0号帧。此时接收窗口状态仍不变
六:发送方继续发送2号帧,2号窗口 打开,表示2号帧也纳入待确认之列。至此,发送方打开的窗口又已达规定限度,在未收到新的确认返回帧之前,发送方将暂停发送新的数据帧,此时接收窗口状态 仍不变;
七:接收方已收到1号帧,1号窗口关闭,2号窗口打开,表示准备接收2号帧。此时发送窗口状态不变;
八:发送方收到接收方发来的1号帧收毕的确认信 息,关闭1号窗口,表示从重发表中删除1号帧。此时接收窗口状态仍不变。

发送窗口和接收窗口的关系

TCP是双工的协议,会话的双方都可以同时接收、发送数据。TCP会话的双方都各自维护一个“发送窗口”和一个“接收窗口”。其中各自的“接收窗口”大小取决于应用、系统、硬件的限制(TCP传输速率不能大于应用的数据处理速率)。各自的“发送窗口”则要求取决于对端通告的“接收窗口”,要求相同。

滑动窗口的可靠性

TCP的滑动窗口的可靠性也是建立在“确认重传”基础上的。

发送窗口只有收到对端对于本段发送窗口内字节的ACK确认,才会移动发送窗口的左边界。

接收窗口只有在前面所有的段都确认的情况下才会移动左边界。当在前面还有字节未接收但收到后面字节的情况下,窗口不会移动,并不对后续字节确认。以此确保对端会对这些数据重传。

应用实例

1.停止-等待协议

这时接受方的窗口和发送方的窗口大小都是1,1个比特就够表示了,所以也叫1比特滑动窗口协议。发送方这时自然发送每次只能发送一个,并且必须等待这个数据包的ACK,才能发送下一个。虽然在效率上比较低,带宽利用率明显较低,不过在网络环境较差,或是带宽本身很低的情况下,还是适用的。

2.回退n步协议

由于停止等待协议效率太低,因此有了回退n-步协议,这也是滑动窗口协议真正的用处,这里发送的窗口大小为n,接受方的窗口仍然为1。具体看下面的图,这里假设n=9: 首先发送方一口气发送10个数据帧,前面两个帧正确返回了,数据帧2出现了错误,这时发送方被迫重新发送2-8这7个帧,接受方也必须丢弃之前接受的3-8这几个帧。 后退n协议的好处无疑是提高了效率,但是一旦网络情况糟糕,则会导致大量数据重发,反而不如上面的停等协议。

3.选择重传协议

后退n协议的问题是,当有错误帧出现后,总是要重发该帧之后的所有帧,毫无疑问在网络不是很好的情况下会进一步恶化网络状况。
重传协议便是用来解决这个问题。原理也很简单,接收端总会缓存所有收到的帧,当某个帧出现错误时,只会要求重传这一个帧,只有当某个序号后的所有帧都正确收到后,才会一起提交给高层应用。重传协议的缺点在于接受端需要更多的缓存。

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