TCP滑动窗口原理终于清楚了！-Toy模板网

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我们在学习计算机网络的时候，遇到很多知识点。即便是背的滚瓜烂熟，让你去辨别知识点背后的深层逻辑的时候，可能就手足无措了。

比如小邱去面A公司的时候就被问到：

TCP滑动窗口原理终于清楚了！

事实上，这个问题很大程度弥补我计算机网络的“漏洞”。正应了那句古话“有心栽花花不开，无心插柳柳成荫”。

话不多说，上热菜勒！

一、TCP的优势

TCP经过多年厮杀，早已确立了坚实的江湖基础。其武功号称“面向连接，可靠，基于字节流的传输层协议”，与其一并称霸传输界武林的还有UDP协议，不过在TCP面前，稍逊“亿”筹。

所谓可靠，就是确保数据准确的，不重复，无延迟的到达目的地；

TCP的武林秘籍总结如下：

①数据分片：在发送端对用户数据进行分片，在接收端进行重组，由TCP确定分片的大小并控制分片和重组；

②到达确认：接收端接收到分片数据时，根据分片数据序号向发送端发送一个确认；

③超时重发：发送方在发送分片时启动超时定时器，如果在定时器超时之后没有收到相应的确认，重发分片；

④滑动窗口：TCP连接每一方的接收缓冲空间大小都固定，接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制，防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出；

⑤失序处理：作为IP数据报来传输的TCP分片到达时可能会失序，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层；

⑥重复处理：作为IP数据报来传输的TCP分片会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据；

⑦数据校验：TCP将保持它首部和数据的检验和，这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到分片的检验和有差错，TCP将丢弃这个分片，并不确认收到此报文段导致对端超时并重发。

其中很重要的一环就是“滑动窗口”，下面我们重点关注一下。

二、滑动窗口的引入

IP 层协议属于不可靠的协议，IP 层并不关系数据是否发送到了对端，在复杂的网络中，由于各种各样的原因，接收到数据包的顺序不一定和发送的顺序相同，这就是乱序问题。这种情况下，有必要为每个包定义一个序号seq，每个包用一个校验和确保数据完整性。

然后发送方不能不管接收方的承受能力，只顾着发。举个栗子，一个高速公路如果没有收费站，那么车辆就会一拥而入，此时不凑巧，发生了追尾事故，导致公路拥塞，如果不控制公路的进入车辆，那么整个高速公路都会变成“露天停车场”。说到这里你可能就明白了，TCP需要这样的“收费站”，而这个收费站就是“滑动窗口”。

TCP滑动窗口原理终于清楚了！

然后，平时在高速上的时候，细心的你注意到了：除了入口有个收费站，出口也有个收费站。TCP也是一样的，除了入口有发送方滑动窗口，出口处也设立有接收方滑动窗口。

收费站除了限制流速以外还有什么作用鸭？是不是要收费呢，毕竟这是国家修的路，不能白走是吧。

对于发送方滑动窗口（入口收费站），我们把数据包看成车辆，枚举它们的状态：

还未进入入口收费站车辆。对应的是下图Not Sent，Recipient Not Ready to Receive。这些数据属于发送端未发送，同时接收端也未准备接收的。
进入收费站，但未进入高速路。对应的是图中的Not Sent，Recipient Ready to Receive。这部分数据是发送端未发送，但已经告知接收方的，这部分其实已经在窗口中（发送端缓存）了，等待发送。
在高速公路上行驶的车辆。对应的是Send But Not Yet Acknowledged。这部分数据称为发送但没有被确认，数据被发送出去，没有收到接收端的 ACK，认为并没有完成发送，这个属于窗口内的数据。
到达出口收费站的车辆。对应的是Sent and Acknowledged。这些数据表示已经发送成功并已经被确认的数据，这些数据已经离开窗口了。

TCP滑动窗口原理终于清楚了！

对于接收方滑动窗口（出口收费站），类似发送端，接收端的数据有 4 个分类，因为接收端并不需要等待 ACK 所以它没有类似的接收并确认了的分类，情况如下

车辆还未到达出口收费站。对应Not Received：有空位，还没有被接收的数据
车辆到达出口收费站，但未完成缴费。对应Received Not ACK: 已经接收并，但是还没有回复 ACK，这些包可能输属于 Delay ACK 的范畴了。
车辆完成缴费，但不知道走哪条路。对应Received and ACK Not Send to Process：这部分数据属于接收了数据但是还没有被上层的应用程序接收，也是被缓存在窗口内。
车辆离开出口收费站。对应Received and ACK Send to Process。离开了窗口缓存。

这样讲是不是就很明白了，下面给出滑动窗口的正式定义。

TCP滑动窗口原理终于清楚了！

Left edge和Right edge分别表示滑动窗口的左边界和右边界。
Usable Window：表示窗口的缓冲区。
Send Window ：发送窗口，这部分值是有接收方在三次握手的时候进行设置的，同时在接收过程中也不断的通告可以发送的窗口大小，来进行适应。
Window Already Sent: 已经发送的数据，但是并没有收到 ACK。

滑动窗口所谓的“滑动”，并不是说窗口在动，而是因为数据在不断进入和离开窗口，也就是说真正“动”的是数据，下面一幅图就表示了这点：

TCP滑动窗口原理终于清楚了！

滑动窗口在TCP首部中的位置如下图所示：

TCP滑动窗口原理终于清楚了！

RFC793对它的解释是"发送方希望接收到的以ACK标志开头的数据字节数"。滑动窗口是跟ACK一起的，因此ACK标志必须置为1，同时指定窗口大小。可以看到，滑动窗口大小通过16个bit来描述，所以变化范围0-65535（这个范围其实是可以缩放的）。

Window: 16 bits
The number of data octets beginning with the one indicated in the
acknowledgment field which the sender of this segment is willing to
accept.

三、滑动窗口的工作原理

首先，TCP不是每个报文段都会返回TCP的，可能对多个报文返回一个ACK。

我们再举一个栗子，制造某机器需要A，B，C三种零件，并且组装顺序A→B→C，某天不凑巧，B，C零件先到，这个时候往往把A的位置预留出来，等待A到达之后，再进行组装；如果A丢失了，那么B，C也丧失作用，被丢弃了。

在TCP中也有这样一个“预留的地方”，我们称之为“空洞（hole）”。假设我们依次发送3个报文（A，B，C）。如果B，C报文先到，那么先把A的位置预留出来，只有A报文到达了，接收端才返回一个ACK（不是3个）进行确认。

在介绍滑动窗口原理之前，我们先讲解一个重要概念——MSS (Max Segment Size，最大段大小)，数据被TCP分割成合适发送的数据块，称为段(Segment)。注意：这里说的段(Segment)不包括协议首部，只包含数据！

与MSS最为相关的一个参数就是网络设备接口的MTU(Max Transfer Unit)。

我们完整讲一下滑动窗口的原理：

有一组数据通过TCP传输，TCP先将其分成若干段，假设有四个段seg1,seg2,seg3,seg4，依次发送出去，此时假设接收端接收到了 seg1 seg2 seg4；
此时接收端的行为是回复一个 ACK 包说明已经接收到，并将 seg4 进行缓存（保证顺序，产生一个保存 seg3 的 hole）；
发送端收到 ACK 之后，就会将对应的数据包变为已确认状态，这个时候窗口向右移动；
假设接收端通告的 Window Size 仍然不变，此时窗口右移，产生一些新的空位，这些是接收端允许发送的范畴；
对于丢失的 seg3，如果超过一定时间，TCP 就会重新传送（重传机制），重传成功会 seg3 seg4 一块被确认，不成功，seg4 也将被丢弃。

前面我们讲到，这个滑动窗口是可以动态调整的，下面讲一下滑动窗口动态调整的原理。

四、滑动窗口的动态调整原理

这一部分可能需要阅读Linux源码。有兴趣的读者可以来肝哦。

内核版本: linux3.2.12

文件目录：linux-3.2.12\include\linux\tcp.h

struct tcp_sock {    ...    /* 最早接收但未确认的段的序号，即当前接收窗口的左端*/    u32 rcv_wup; /* rcv_nxt on last window update sent */    u16 advmss; /* Advertised MSS. 本端能接收的MSS上限，建立连接时用来通告对端*/    u32 rcv_ssthresh; /* Current window clamp. 当前接收窗口大小的阈值*/    u32 rcv_wnd; /* Current receiver window，当前的接收窗口大小*/    u32 window_clamp; /* 接收窗口的最大值，这个值也会动态调整*/    ...    struct tcp_options_received rx_opt; /* 接收选项 */     u32  mss_cache;  /* Cached effective mss, not including SACKS */}
struct tcp_options_received {    ...        snd_wscale : 4, /* Window scaling received from sender, 对端接收窗口扩大因子 */        rcv_wscale : 4; /* Window scaling to send to receiver, 本端接收窗口扩大因子 */    u16 user_mss; /* mss requested by user in ioctl */    u16 mss_clamp; /* Maximal mss, negotiated at connection setup，对端的最大mss */}
struct tcp_options_received {/*  PAWS/RTTM data  */  long  ts_recent_stamp;/* Time we stored ts_recent (for aging) */  u32  ts_recent;  /* Time stamp to echo next    */  u32  rcv_tsval;  /* Time stamp value               */  u32  rcv_tsecr;  /* Time stamp echo reply          */  u16   saw_tstamp : 1,  /* Saw TIMESTAMP on last packet    */    tstamp_ok : 1,  /* TIMESTAMP seen on SYN packet    */    dsack : 1,  /* D-SACK is scheduled      */    wscale_ok : 1,  /* Wscale seen on SYN packet    */    sack_ok : 4,  /* SACK seen on SYN packet    */    snd_wscale : 4,  /* Window scaling received from sender  */    rcv_wscale : 4;  /* Window scaling to send to receiver  */  u8  cookie_plus:6,  /* bytes in authenticator/cookie option  */    cookie_out_never:1,    cookie_in_always:1;  u8  num_sacks;  /* Number of SACK blocks    */  u16  user_mss;  /* mss requested by user in ioctl  */  u16  mss_clamp;  /* Maximal mss, negotiated at connection setup */};

tcp_sock表示的是TCP结构体。我们只关注里面最重要的几个成员：

(1)tp->advmss

这里的adv是advertised告知的意思。本端在建立连接时使用的MSS，是本端能接收的MSS上限。这是从路由缓存中获得的(dst->metrics[RTAX_ADVMSS - 1])，一般是1460。

(2)tp->rx_opt.mss_clamp

对端的能接收的MSS上限，其值为tcp_sock->rx_opt.user_mss和对端在建立连接时通告的MSS的较小值。

(3)tp->mss_cache

本端当前有效的发送MSS,不包括SACKS。显然不能超过对端接收的上限，即tp->mss_cache <= tp->mss_clamp。

(4)tcp_sock->rx_opt.user_mss

用户通过TCP_MAXSEG选项设置的MSS上限，用于决定本端和对端的接收MSS上限。

文件目录：linux-3.2.12\include\net\sock.h

struct sock {    ...    struct sk_buff_head sk_receive_queue;    /* 表示接收队列sk_receive_queue中所有段的数据总长度*/#define sk_rmem_alloc sk_backlog.rmem_alloc     int sk_rcvbuf; /* 接收缓冲区长度的上限*/    int sk_sndbuf; /* 发送缓冲区长度的上限*/     struct sk_buff_head sk_write_queue;    ...}

主要对接收和发送缓冲区进行定义。

接收缓存sk->sk_rcvbuf分为两部分：
（1） network buffer，一般占3/4，这部分是协议能够使用的。
（2）application buffer，一般占1/4。
我们在计算连接可用接收缓存的时候，并不会使用整个的sk_rcvbuf，防止应用程序读取数据的速度比网络数据包到达的速度慢时，接收缓存被耗尽的情况。

下面是根据RFC793和RFC1122定义的窗口更新参数。

TCP滑动窗口原理终于清楚了！

我们先从初始情况开始进行分析。

/* Determine a window scaling and initial window to offer. * Based on the assumption that the given amount of space will be offered. * Store the results in the tp structure. * NOTE: for smooth operation initial space offering should be a multiple of mss * if possible. We assume here that mss >= 1. This MUST be enforced by all calllers. */void tcp_select_initial_window (int __space, __u32 mss, __u32 *rcv_wnd, __u32 *window_clamp,                                int wscale_ok, __u8 *rcv_wscale, __u32 init_rcv_wnd){    unsigned int space = (__space < 0 ? 0 : __space); /* 接收缓存不能为负*/     /* If no clamp set the clamp to the max possible scaled window。     * 如果接收窗口上限的初始值为0，则把它设成最大。     */    if (*window_clamp == 0)        (*window_clamp) = (65535 << 14); /*这是接收窗口的最大上限*/     /* 接收窗口不能超过它的上限 */    space = min(*window_clamp, space);      /* Quantize space offering to a multiple of mss if possible.     * 接收窗口大小最好是mss的整数倍。     */    if (space > mss)        space = (space / mss) * mss; /* 让space为mss的整数倍*/     /* NOTE: offering an initial window larger than 32767 will break some     * buggy TCP stacks. If the admin tells us it is likely we could be speaking     * with such a buggy stack we will truncate our initial window offering to     * 32K - 1 unless the remote has sent us a window scaling option, which     * we interpret as a sign the remote TCP is not misinterpreting the window     * field as a signed quantity.     */    /* 当协议使用有符号的接收窗口时，则接收窗口大小不能超过32767*/    if (sysctl_tcp_workaround_signed_windows)        (*rcv_wnd) = min(space, MAX_TCP_WINDOW);    esle        (*rcv_wnd) = space;     (*rcv_wscale) = 0;    /* 计算接收窗口扩大因子rcv_wscale，需要多大才能表示本连接的最大接收窗口大小？*/    if (wscale_ok) {        /* Set window scaling on max possible window         * See RFC1323 for an explanation of the limit to 14         * tcp_rmem[2]为接收缓冲区长度上限的最大值，用于调整sk_rcvbuf。          * rmem_max为系统接收窗口的最大大小。          */        space = max_t(u32, sysctl_tcp_rmem[2], sysctl_rmem_max);        space = min_t(u32, space, *window_clamp); /*受限于具体连接*/         while (space > 65535 && (*rcv_wscale) < 14) {            space >>= 1;            (*rcv_wscale)++;        }   }     /* Set initial window to a value enough for senders starting with initial     * congestion window of TCP_DEFAULT_INIT_RCVWND. Place a limit on the      * initial window when mss is larger than 1460.     *     * 接收窗口的初始值在这里确定，一般是10个数据段大小左右。     */    if (mss > (1 << *rcv_wscale)) {        int init_cwnd = TCP_DEFAULT_INIT_RCVWND; /* 10 */        if (mss > 1460)            init_cwnd = max_t(u32, 1460 * TCP_DEFAULT_INIT_RCVWND) / mss, 2);                /* when initializing use the value from init_rcv_wnd rather than the          * default from above.         * 决定初始接收窗口时，先考虑路由缓存中的，如果没有，再考虑系统默认的。          */        if (init_rcv_wnd) /* 如果路由缓存中初始接收窗口大小不为0*/            *rcv_wnd = min(*rcv_wnd, init_rcv_wnd * mss);        else             *rcv_wnd = min(*rcv_wnd, init_cwnd *mss);    }     /* Set the clamp no higher than max representable value */    (*window_clamp) = min(65535 << (*rcv_wscale), *window_clamp);}

初始的接收窗口的取值(mss的整数倍)：
（1）先考虑路由缓存中的RTAX_INITRWND
（2）在考虑系统默认的TCP_DEFAULT_INIT_RCVWND(10)
（3）最后考虑min(3/4 * sk_rcvbuf, window_clamp)，如果这个值很低.

接下来我们可以看到，接收窗口的大小主要取决于剩余的接收缓存，以及接收窗口当前阈值。

决定接收窗口大小的函数tcp_select_window()在tcp_transmit_skb()中调用，也就是说每次我们要发送数据包时，都要使用tcp_select_window()来决定通告的接收窗口大小。

static int tcp_transmit_skb (struct sock *sk, struct sk_buff *skb, int clone_it,                              gfp_t gfp_mask){    const struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);    struct inet_sock *inet;    struct tcp_sock *tp;    struct tcp_skb_cb *tcb;    struct tcphdr *th;    ...    /* Build TCP header and checksum it，以下是TCP头的赋值*/    th = tcp_hdr(skb); /* skb->transport_header */    th->source = inet->inet_sport;    th->dest = inet->inet_dport;    th->seq = htonl(tcb->seq);    th->ack_seq = htonl(tp->rcv_nxt);    /* 这个语句可以看出C语言的强大*/    *(((__be16 *) th) + 6) = htons(((tcp_header_size >> 2) << 12) | tcb->tcp_flags);        if (unlikely(tcb->tcp_flags & TCPHDR_SYN)) {        /* RFC1323: The window in SYN & SYN/ACK segments in never scaled.         * 从这里我们可以看到，在三次握手阶段，接收窗口并没有按扩大因子缩放。          */        th->window = htons(min(tp->rcv_wnd, 65535U));     } else {        th->window = htons(tcp_select_window(sk)); /* 更新接收窗口的大小*/    }    th->check = 0;    th->urg_ptr = 0;    ...}

这里有几个函数，大家可能没见过，所以稍微解释一下：

网络字节顺序NBO（Network Byte Order）

按从高到低的顺序存储，在网络上使用同一的网络字节顺序，可避免兼容性问题；

主机字节顺序HBO(Host Byte Order)

不同的机器HBO不相同，与CPU的设计有关，数据的顺序是由CPU决定的，而与操作系统无关；

如Intel x86结构下，short型数0x1234表示为34 12，int型数0x12345678表示为78 56 34 12；

如IBM power PC结构下，short型数0x1234表示为 12 34，int型数0x12345678表示为 12 34 56 78.

由于这个原因，不同体系结构的机器之间不能直接通信，所以要转换成一种约定的顺序，也就是网络字节顺序，其实就是如同power pc那样的顺序。

ntohs =net to host short int 16位
htons=host to net short int 16位
ntohl =net to host long int 32位
htonl=host to net long int 32位

接下来看一下tcp_select_window()，这个是核心函数。

static u16 tcp_select_window(struct sock *sk){    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);     u32 cur_win = tcp_receive_window(tp); /* 当前接收窗口的剩余大小*/    u32 new_win = __tcp_select_window(sk); /*根据剩余的接收缓存，计算新的接收窗口的大小 */     /* Never shrink the offered window，不允许缩小已分配的接收窗口*/    if (new_win < cur_win) {        /* Danger Will Robinson!         * Don't update rcv_wup/rcv_wnd here or else         * we will not be able to advertise a zero window in time. --DaveM         * Relax Will Robinson.         */        new_win = ALIGN(cur_win, 1 << tp->rx_opt.rcv_wscale);    }     /* 更新接收窗口大小。个人觉得这句代码应该后移，因为此时接收窗口的大小还未最终确定！*/    tp->rcv_wnd = new_win;    tp->rcv_wup = tp->rcv_nxt; /* 更新接收窗口的左边界，把未确认的数据累积确认*/     /* 确保接收窗口大小不超过规定的最大值。      * Make sure we do not exceed the maximum possible scaled window.     */    if (! tp->rx_opt.rcv_wscale && sysctl_tcp_workaround_signed_windows)        /* 不能超过32767，因为一些奇葩协议采用有符号的接收窗口大小*/        new_win = min(new_win, MAX_TCP_WINDOW);      else        new_win = min(new_win, (65535U << tp->rx_opt.rcv_wscale));     /* RFC1323 scaling applied. 按比例因子缩小接收窗口，这样最多能表示30位*/    new_win >>= tp->rx_opt.rcv_wscale;     /* If we advertise zero window, disable fast path. */    if (new_win == 0)        tp->pred_flags = 0;     return new_win; /* 返回最终的接收窗口大小*/}

每次发送一个TCP数据段，都要构建TCP首部，这时会调用tcp_select_window选择接收窗口大小。窗口大小选择的基本算法：

计算当前接收窗口的剩余大小cur_win。
计算新的接收窗口大小new_win，这个值为剩余接收缓存的3/4，且不能超过rcv_ssthresh。
取cur_win和new_win中值较大者作为接收窗口大小。

计算当前接收窗口的剩余大小cur_win。

/*  * Compute the actual receive window we are currently advertising. * rcv_nxt can be after the window if our peer push more data than * the offered window. */static inline u32 tcp_receive_window (const struct tcp_sock *tp){    s32 win = tp->rcv_wup + tp->rcv_wnd - tp->rcv_nxt;     if (win < 0)        win = 0;     return (u32) win;}

__tcp_select_window计算新的接收窗口大小new_win，这个是关键函数，我们将看到rcv_ssthresh所起的作用。

/*  * calculate the new window to be advertised. */u32 __tcp_select_window(struct sock *sk){    struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);     /* MSS for the peer's data. Previous versions used mss_clamp here.     * I don't know if the value based on our guesses of peer's MSS is better     * for the performance. It's more correct but may be worse for the performance     * because of rcv_mss fluctuations. —— SAW 1998/11/1     */    int mss = icsk->icsk_ack.rcv_mss;/*这个是估计目前对端有效的发送mss，而不是最大的*/      int free_space = tcp_space(sk); /* 剩余接收缓存的3/4 */    int full_space = min_t(int, tp->window_clamp, tcp_full_space(sk)); /* 总的接收缓存 */    int window;     if (mss > full_space)        mss = full_space; /* 减小mss，因为接收缓存太小了*/     /* receive buffer is half full，接收缓存使用一半以上时要小心了 */    if (free_space < (full_space >> 1)) {        icsk->icsk_ack.quick = 0; /* 可以快速发送ACK段的数量置零*/         if (tcp_memory_pressure)/*有内存压力时，把接收窗口限制在5840字节以下*/            tp->rcv_ssthresh = min(tp->rcv_ssthresh, 4U * tp->advmss);         if (free_space < mss) /* 剩余接收缓存不足以接收mss的数据*/            return 0;    }     if (free_space > tp->rcv_ssthresh)        /* 看！不能超过当前接收窗口阈值，这可以达接收窗口平滑增长的效果*/        free_space = tp->rcv_ssthresh;       /* Don't do rounding if we are using window scaling, since the scaled window will     * not line up with the MSS boundary anyway.     */    window = tp->rcv_wnd;    if (tp->rx_opt.rcv_wscale) { /* 接收窗口扩大因子不为零*/        window = free_space;         /* Advertise enough space so that it won't get scaled away.         * Import case: prevent zero window announcement if 1 << rcv_wscale > mss.         * 防止四舍五入造通告的接收窗口偏小。          */        if (((window >> tp->rx_opt.rcv_wscale) << tp->rx_opt.rcv_wscale) != window)            window =(((window >> tp->rx_opt.rcv_wscale) + 1) << tp->rx_opt.rcv_wscale);     } else {        /* Get the largest window that is a nice multiple of mss.         * Window clamp already applied above.         * If our current window offering is within 1 mss of the free space we just keep it.         * This prevents the divide and multiply from happening most of the time.         * We also don't do any window rounding when the free space is too small.         */        /* 截取free_space中整数个mss，如果rcv_wnd和free_space的差距在一个mss以上*/        if (window <= free_space - mss || window > free_space)             window = (free_space / mss) * mss;        /* 如果free space过小，则直接取free space值*/        else if (mss = full_space && free_space > window + (full_space >> 1))            window = free_space;        /* 当free_space -mss < window < free_space时，直接使用rcv_wnd，不做修改*/    }         return window;}

/* 剩余接收缓存的3/4。 * Note: caller must be prepared to deal with negative returns. */static inline int tcp_space (const struct sock *sk){    return tcp_win_from_space(sk->sk_rcvbuf - atomic_read(&sk->sk_rmem_alloc));} static inline int tcp_win_from_space(int space){    return sysctl_tcp_adv_win_scale <= 0 ? (space >> (-sysctl_tcp_adv_win_scale)) :        space - (space >> sysctl_tcp_adv_win_scale);} /* 最大的接收缓存的3/4 */static inline int tcp_full_space(const struct sock *sk){    return tcp_win_from_space(sk->sk_rcvbuf);}