TCP滑动窗口控制流量的原理及TCP拥堵解决方案

TCP的滑动窗口机制

      TCP这个协议是网络中使用的比较广泛,他是一个面向连接的可靠的传输协议。既然是一个可靠的传输协议就需要对数据进行确认。TCP协议里窗口机制有2种:一种是固定的窗口大小;一种是滑动的窗口。这个窗口大小就是我们一次传输几个数据。对所有数据帧按顺序赋予编号,发送方在发送过程中始终保持着一个发送窗口,只有落在发送窗口内的帧才允许被发送;同时接收方也维持着一个接收窗口,只有落在接收窗口内的帧才允许接收。这样通过调整发送方窗口和接收方窗口的大小可以实现流量控制。

      TCP滑动窗口技术通过动态改变窗口大小来调节两台主机间数据传输。每个TCP/IP主机支持全双工数据传输,因此TCP有两个滑动窗口:一个用于接收数据,另一个用于发送数据。TCP使用肯定确认技术,其确认号指的是下一个所期待的字节。 假定发送方设备以每一次三个数据包的方式发送数据,也就是说,窗口大小为3。发送方发送序列号为1、2、3的三个数据包,接收方设备成功接收数据包,用序列号4确认。发送方设备收到确认,继续以窗口大小3发送数据。当接收方设备要求降低或者增大网络流量时,可以对窗口大小进行减小或者增加,本例降低窗口大小为2,每一次发送两个数据包。当接收方设备要求窗口大小为0,表明接收方已经接收了全部数据,或者接收方应用程序没有时间读取数据,要求暂停发送。发送方接收到携带窗口号为0的确认,停止这一方向的数据传输。

我们可以看下面一张图来分析一下固定窗口大小有什么问题。

        这里我们可以看到假设窗口的大小是1,也是就每次只能发送一个数据只有接受方对这个数据进行确认了以后才能发送第2个数据。我们可以看到发送方每发送一个数据接受方就要给发送方一个ACK对这个数据进行确认。只有接受到了这个确认数据以后发送方才能传输下个数据。 这样我们考虑一下如果说窗口过小,那么当传输比较大的数据的时候需要不停的对数据进行确认,这个时候就会造成很大的延迟。如果说窗口的大小定义的过大。我们假设发送方一次发送100个数据。但是接收方只能处理50个数据。这样每次都会只对这50个数据进行确认。发送方下一次还是发送100个数据,但是接受方还是只能处理50个数据。这样就避免了不必要的数据来拥塞我们的链路。所以我们就引入了滑动窗口机制,窗口的大小并不是固定的而是根据我们之间的链路的带宽的大小,这个时候链路是否拥护塞。接受方是否能处理这么多数据了。  
我们看看滑动窗口是如何工作的。我们看下面几张图。

        首先是第一次发送数据这个时候的窗口大小是根据链路带宽的大小来决定的。我们假设这个时候窗口的大小是3。这个时候接受方收到数据以后会对数据进行确认告诉发送方我下次希望手到的是数据是多少。这里我们看到接收方发送的ACK=3(这是发送方发送序列2的回答确认,下一次接收方期望接收到的是3序列信号)。这个时候发送方收到这个数据以后就知道我第一次发送的3个数据对方只收到了2个。就知道第3个数据对方没有收到。下次在发送的时候就从第3个数据开始发。这个时候窗口大小就变成了2 

这个时候发送方发送2个数据。

        看到接收方发送的ACK是5就表示他下一次希望收到的数据是5,发送方就知道我刚才发送的2个数据对方收了这个时候开始发送第5个数据。 
        这就是滑动窗口的工作机制,当链路变好了或者变差了这个窗口还会发生变话,并不是第一次协商好了以后就永远不变了。                 
滑动窗口协议 :
        滑动窗口协议,是TCP使用的一种流量控制方法。该协议允许发送方在停止并等待确认前可以连续发送多个分组。由于发送方不必每发一个分组就停下来等待确认,因此该协议可以加速数据的传输。 
        只有在接收窗口向前滑动时(与此同时也发送了确认),发送窗口才有可能向前滑动。收发两端的窗口按照以上规律不断地向前滑动,因此这种协议又称为滑动窗口协议。    
        当发送窗口和接收窗口的大小都等于1时,就是停止等待协议。

引用知乎一个高赞回答:老师听写句子的一个场景通俗解释:

https://www.zhihu.com/question/32255109

TCP 协议如何来保证传输的可靠性?

  • 数据包校验:目的是检测数据在传输过程中的任何变化,若校验出包有错,则丢弃报文段并且不给出响应,这时 TCP 发送数据端超时后会重发数据。
  • 对失序数据包重排序:既然 TCP 报文段作为 IP 数据报来传输,而 IP 数据报的到达可能会失序,因此 TC P报文段的到达也可能会失序。TCP 将对失序数据进行重新排序,然后才交给应用层。
  • 丢弃重复数据:对于重复数据,能够丢弃重复数据。
  • 应答机制:当 TCP 收到发自 TCP 连接另一端的数据,它将发送一个确认。这个确认不是立即发送,通常将推迟几分之一秒。
  • 超时重发:当 TCP 发出一个段后,它启动一个定时器,等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认,将重发这个报文段。
  • 流量控制:TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP 的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据,这可以防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出,这就是流量控制。TCP 使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议

什么是 TCP 拥堵?

计算机网络中的带宽、交换结点中的缓存及处理机等都是网络的资源。在某段时间,若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分,网络的性能就会变坏,这种情况就叫做拥塞

怎么解决 TCP 拥堵?

通过拥塞控制来解决。拥堵控制,就是防止过多的数据注入网络中,这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。注意,拥塞控制和流量控制不同,前者是一个全局性的过程,而后者指点对点通信量的控制。

拥塞控制的方法主要有以下四种:

  • 1、慢开始。
  • 2、拥塞避免。
  • 3、快重传。
  • 4、快恢复。
1)慢开始

不要一开始就发送大量的数据,先探测一下网络的拥塞程度,也就是说由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。(从1开始以2倍的速度增加)

2)拥塞避免

拥塞避免算法,让拥塞窗口缓慢增长,即每经过一个往返时间 RTT 就把发送方的拥塞窗口 cwnd 加 1 ,而不是加倍,这样拥塞窗口按线性规律缓慢增长。

3)快重传

快重传,要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认(为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方),而不要等到自己发送数据时捎带确认。

快重传算法规定,发送方只要一连收到三个重复确认,就应当立即重传对方尚未收到的报文段,而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。

4)快恢复

快重传配合使用的还有快恢复算法,当发送方连续收到三个重复确认时,就执行“乘法减小”算法,把 ssthresh 门限减半。

  • 但是接下去并不执行慢开始算法:因为如果网络出现拥塞的话就不会收到好几个重复的确认,所以发送方现在认为网络可能没有出现拥塞。
  • 所以此时不执行慢开始算法,而是将 cwnd 设置为 ssthresh 的大小,然后执行拥塞避免算法。

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