20-TCP 协议（滑动窗口——基础）

兰博

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相信大家都遇到过这样的场景：

同学 Luffy 给你打电话，让你记下一串手机号码，可是你记忆力不太好，你跟 Luffy 约定，一次只最多只能报 4 个数字，Luffy 念一遍，如果你听到了就把他说的话重复一遍。接下来：

你：你一次最多报 4 个数字，多了我记不住啊！
Luffy：139
你：139 （Luffy 知道你听到了）
Luffy：7548
你：7538 （很明显你听错了）
Luffy：不对，是7548
你：7548
Luffy : 2669
你：2669
最后，你接收到的完整的号码就是 139-7548-2669.

1. 滑动窗口
上面的场景，你一次最多只能接受 4 个数字，表示你的滑动窗口大小就是 4. 在 TCP 协议中，也有这样的滑动窗口，它的大小表示目前还能接收多少字节的数据。

TCP 每次收到对方发来的报文，都会检查窗口大小字段，见图 1.


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图1 TCP 首部中有一个字段——16 位窗口大小
知道了对方的窗口大小后，就知道对方目前还能接收多少数据，接收的数据字节序号是 TCP 段中的 ACK 的值到 ACK + 窗口大小，即 [ACK,ACK+窗口大小)[ACK,ACK+窗口大小).

比如，你给对方发送了一个段携带字节序号为 [400, 500) 的数据。对方回送了一个 TCP 段，ack = 500, win = 100，就表示，我已经收到 [400, 500) 的数据我还能接收字节序号为 [500, 600) 之间的数据，见图 2。


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图2 滑动窗口
如果对方回送了一个 TCP 段，ack = 500, win = 0，就表示，我已经收到了 [400, 500) 的数据，但是我现在不能再接收数据了，你待会再发。


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图3 对方回送 0 大小的窗口，接收端的反应
2. 滑动窗口的目的
回顾本文开头给出的打电话的例子，为什么你要告诉对方一次最多只能报 4 个数字？原因在于你的接受能力有限，不是说你无法记忆很多数字，只是在短期内，你记不住，你需要一段一段的记忆（一段一段的将数据放入缓冲区）。

所以，在 TCP 中，滑动窗口是为了实现流量控制。如果对方发送数据过快，接收方就来不及接收（你来不急记住），接收方就需要通告对方，减慢数据的发送（图 3）。

需要特别注意的是，在学习滑动窗口的时候，我们假设网络无限好，不拥塞。只要你发送了数据，对方一定可以收到。

再解释一下网络拥塞的含义，它是指你发送的数据滞留在网络中，迟迟未到达接收方。

3. 滑动窗口模拟

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图4 滑动窗口模拟
修正：图4 中最后一个小图修正一下文字，应该为『发送方收到 ack=41, win=10, 知道对方希望接收序号为 [41, 51) 的数据』

发送方接收到了对方发来的报文 ack = 33, win = 10，知道对方收到了 33 号前的数据，现在期望接收 [33, 43) 号数据。发送方连续发送了 4 个报文段假设为 A, B, C, D, 分别携带 [33, 35), [35, 36), [36, 38), [38, 41) 号数据。
接收方接收到了报文段 A, C，但是没收到 B 和 D，也就是只收到了 [33, 35) 和 [36, 38) 号数据。接收方发送回对报文段 A 的确认：ack = 35, win = 10。
发送方收到了 ack = 35, win = 10，对方期望接收 [35, 45) 号数据。接着发送了一个报文段 E，它携带了 [41, 44) 号数据。
接收方接收到了报文段 B: [35, 36), D:[38, 41)，接收方发送对 D 的确认：ack = 41, win = 10. （这是一个累积确认）
发送方收到了 ack = 41, win = 10，对方期望接收 [41, 51) 号数据。
……
需要注意的是，接收方接收 tcp 报文的顺序是不确定的，并非是一定先收到 35 再收到 36，也可能是先收到 36，37，再收到 35.

4. 总结
理解滑动窗口的工作过程
滑动窗口的目的是什么？