TCP滑窗管理

from:TCP-IP协议详解(10) TCP滑窗管理

在阅读“TCP-IP协议详解”系列文章之前,建议阅读以下两篇文章,以便对互联网协议有个快速的全局了解和把握!

互联网协议入门(一)

互联网协议入门(二)

TCP协议与”流”通信中,我们建立了滑窗(sliding window)的基本概念。通过滑窗与ACK的配合,我们一方面实现了TCP传输的可靠性,另一方面也一定程度上提高了效率。其工作方式如下面的视频所示:

视频链接: http://v.youku.com/v_show/id_XNDg1NDUyMDUy.html

然而,之前的解释只是概念性的。TCP为了达到更好的传输效率,对上面的工作方式进行了许多改进。The devil is in the details. 我们需要深入到细节,才能看清楚TCP协议的智慧所在。

累计ACK

TCP连接中,我们通过将ACK回复“附着”在其他数据片段的方式,减少了ACK回复所消耗的流量。但这并不是全部的故事。TCP协议并不是对每个片段都发送ACK回复。TCP协议实际采用的是累计ACK回复(accumulative acknowledgement)。接收方往往利用一个ACK回复来知会连续多个片段的成功接收。通过累计ACK,所需要的ACK回复通常可以降到50%。

如下图所示,橙色为已经接收的片段。方框为滑窗,滑窗可容纳3个片段。

累计ACK

滑窗还没接收到片段7时,已接收到片段8,9。这样就在滑窗中制造了一个“空穴”(hole)。当滑窗最终接收到片段7时,滑窗送出一个回复号为10的ACK回复。发送方收到该回复,会意识到,片段10之前的片段已经按照次序被成功接收。整个过程中节约了片段7和片段8所需的两个ACK回复。

此外,接收方在接收到片断,并应该回复ACK的时候,会故意延迟一些时间。如果在延迟的时间里,有后续的片段到达,就可以利用累计ACK来一起回复了。

滑窗结构

在之前的讨论中,我们以片段为单位,来衡量滑窗的大小的。真实的滑窗是以byte为单位表示大小,但这并不会对我们之前的讨论造成太大的影响。

发送方滑窗可以分为下面两个部分。offered window为整个滑窗的大小。

接收方滑窗可分为三个部分:

可以看到,接收方的滑窗相对于发送方的滑窗多了一个“Received; ACKed; Not Sent to Proc”的部分。接收方接收到的文本流必须等待进程来读取。如果进程正忙于做别的事情,那么这些文本流即使已经正确接收,还是需要暂时占用接收缓存。当出现上述占用时,滑窗的可用部分(也就是图中advertised window)就会缩水。这意味着接收方的处理能力下降。如果这个时候发送方依然按照之前的速率发送数据给接收方,接收方将无力接收这些数据。

流量控制

TCP协议会根据情况自动改变滑窗大小,以实现流量控制。流量控制(flow control)是指接收方将advertised window的大小通知给发送方,从而指导发送方修改offered window的大小。接收方将该信息放在TCP头部的window size区域:

发送方在收到window size的通知时,会调整自己滑窗的大小,让offered window和advertised window相符。这样,发送窗口变小,文本流发送速率降低,从而减少了接收方的负担。

零窗口

advertised window大小有可能变为0,这意味着接收方的接收能力降为0。发送方收到大小为0的advertised window通知时,停止发送。

零窗口

当接收方经过处理,再次产生可用的advertised window时,接收方会通过纯粹的ACK回复来通知发送方,让发送方恢复发送。然而,ACK回复的传送并不是可靠的。如果该ACK回复丢失,那么TCP传输将陷入死锁(deadlock)状态。

为此,发送方会在零窗口后,不断探测接收方的窗口。窗口探测(window probe)时,发送方会向接收方发送包含1 byte文本流的TCP片段,并等待ACK回复(该ACK回复包含有window size)。由于有1 byte的数据存在,所以该传输是可靠的,而不用担心ACK回复丢失的问题。如果探测结果显示窗口依然为0,发送方会等待更长的时间,然后再次进行窗口探测,直到TCP传输恢复。

白痴窗口综合症

滑窗机制有可能犯病,比如白痴窗口综合症 (Silly Window Syndrome)。假设这样一种情形:接收方宣布(advertise)一个小的窗口,发送方根据advertised window,发送一个小的片段。接收方的小窗口被填满,经过处理,接收方再宣布一个小的窗口…… 这就是“白痴窗口综合症”:TCP通信的片段中包含的数据量很小。在这样的情况下,TCP通信的片段所含的信息都很小,网络流量主要是TCP片段的头部,从而造成流量的浪费 (由于TCP头部很大,我们希望每个TCP片段中含有比较多的数据)。

如果发送方不断发送小的片段,也会造成“白痴窗口”。为了解决这个问题,需要从两方面入手。TCP中有相关的规定,要求:

1. 接收方宣告的窗口必须达到一定的尺寸,否则等待。

2. 除了一些特殊情况,发送方发送的片段必须达到一定的尺寸,否则等待。特殊情况主要是指需要最小化延迟的TCP应用(比如命令行互动)。

总结

累计ACK减少了TCP传输过程中所需的ACK流量。通过流量管理,TCP连接两端的工作能力可以匹配,从而减少不不要的传输浪费。累计ACK和流量控制都是TCP协议的重要特征。

TCP协议相当复杂,并充斥着各种细节。然而TCP协议又是如此重要的一个协议,引领风骚三十年,可以说是互联网的奇迹。这些细节正是TCP协议成功的原因,并值得我们深入了解。

【TCP/IP详解】系列教程

文/ Vamei

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