28-tcp可靠传输——滑动窗口

  前面我们在学习tcp可靠传输时，讲了停止等待和连续ARQ两种可靠传输的协议方式，其中连续ARQ协议还使用了滑动窗口来保证数据的可靠传输和通信效率，可见滑动窗口是非常重要的。

  对于滑动窗口我们可以分成窗口和滑动来进行理解。
  所谓窗口就是一段可以被发送或接收的字节数据，其连续范围称之为“窗口”
  滑动则是这个“可以发送的范围”（也就是窗口）可以在数据的发送过程中而变化的，也就是按照一定的速度滑动。

  如果你现在还是不太理解也没关系，下面将会详细介绍滑动窗口。

图1-分组编号

   在图1中总共有12个分组，每个分组都是100字节，红色数字表示每个分组的序号。比如：第1个分组1 - 100，其中1表示分组的序号，它的分组编号为1。第2个分组的序号是101，编号为2，其他以此类推。这里我们只需记住每个分组的编号和序号就行了，因为我们在讲解滑动窗口中需要用到分组的序号和编号。

   滑动窗口是面向字节流的，为了讲述可靠传输原理方便，我们假设数据传输只在一个方向上进行，即A发送数据，B给出确认。这样我们只讨论两个窗口，即发送方A的发送窗口和接收方的接收窗口。

图2-滑动窗口

   1. 在图2中，A计算机和B计算机在进行数据传输前之前先建立tcp连接，A计算机会根据B计算机的接收窗口的大小400字节，来调整自己的发送窗口，设置为400字节。

   2. A计算机发送应用进程将要传输的800字节数据以字节流写入发送缓冲区，说明有8个分组。第1，2，3，4个分组在发送窗口内（这四个分组是将要发送的数据）。

图3

  3. 在图3中，A计算机将第1，2，3，4四个分组的tcp首部的序号进行填充（第1个分组的tcp首部中的序号为1，第2个分组的tcp首部中的序号为101，其他以此类推），并按顺序发送给B计算机，这时A计算机的发送窗口中的这4个分组在没有收到B的确认，就不能从发送窗口中删除，因为分组丢失或出差错还需要重传。

  4. B计算机将收到的四个分组放入缓存中的接收窗口，按每个分组的tcp首部的序号（seq）进行排序组织，同时接收窗口向前移动并腾出空间接收数据，接收应用进程按顺序读取接收窗口外连续的字节（注意B计算机应用进程从接收缓冲区中读取数据的位置），读取完毕再把数据清除掉（第1，2，3，4，分组）。

  然后B计算机向A计算机发送一个确认，图中大写的ACK = 1代表tcp首部ACK标志位置为1，表示B计算机已经收到A计算机发送的分组数据，其中小写的ack = 401是确认号，该序号有2个作用，一是确认B计算机已经收到401字节前面的数据了，二是期望A计算机下一次开始发送数据的位置是第401个字节。

图4

  5. A计算机收到B计算机的ACK确认包时，得到数据报中tcp首部中的确认号是401，接收窗口为400字节，这时发送窗口向前移动，401后面的字节就进入发送窗口，即第5，6，7，8四个分组进入发送窗口，然后从发送窗口中移出已经确认发送成功的第1，2，3，4四个分组，就可以从缓存中删除掉了，发送应用进程可以向腾出的空间存放后面的字节数据，然后往发送缓冲区中写入第9，10分组。

  然后A计算机在发送第5，6，7，8这四个分组的过程中，由于网络问题导致第7个分组出现丢失或出现错误。

  这时B计算机只能收到第5，6，8三个分组，因为第7个分组已经丢失了，所以B计算机的接收窗口只能向前移200个字节，接收应用程序就可以从接收缓存中读取第5,6分组的字节，读取完毕后将第5，6个分组移出接收窗口，腾出的空间可以被重复利用。

  6. 然后B计算机向A计算机发送一个确认（注意：这是一个选择确认SACK），确认号是601，告诉A计算机已经成功接收到600以前的字节，可以从601个字节开始发送了（因为第七个分组没有接收到）。

注意：tcp在建立连接时，客户端就和服务器协商了是否支持选择确认(SACK)，如果都支持选择确认，以后通信过程中发送的确认，除了包含确认号601，同时还包含了已经收到的分组（第8个分组）的边界，这样发送方就不再重复发送第8个分组了，这里大家只需记住就行了，关于选择确认后面会详细介绍，到时候大家再回过头来看滑动窗口就会理解了。

图5

  7. A计算机收到B计算机发送的确认数据包后，发现这是一个选择确认包，然后根据选择tcp首部中的确认号ack = 601，设置发送窗口向前移动了200字节，也就是让窗口滑动到601的位置（601是第七个分组的起始字节的位置），让第9，10个分组就进入发送窗口了，并按顺序发送这两个分组后就停止发送，发送窗口不再向前滑动（因为要重传第7个分组，所以不能再向前滑动）并等待确认B计算机是否有收到第9，10分组，当第7个分组超时后，就重传第7个分组（注意：如果A计算机收到的不是选择确认，那么将重传第7,8分组）。

  8. B计算机收到第9，10分组后，接着又收到了重传的第7分组，接收窗口向前移动，然后接收方应用进程就可以读取接收窗口外的分组数据，读取完毕并把第7，8，9，10分组从接受缓冲区中清除掉，然后B计算机发送确认，将tcp首部中的ACK标志位置1，确认号为1001，相当于告诉A计算机：1001之前的数据已经都接收到了，下一次可以从第1001字节开始发送了。

  9. 同理，A计算机收到B计算机的确认后，发送窗口向前移动，因为发送缓冲区中只有第11,12分组，这时发送窗口中只有200字节数据，A计算机将这两个分组数据发送出去。

  注意：上述只是用画图单纯的介绍滑动窗口技术原理，而实际上滑动窗口是循环利用的，滑动窗口的大小也是会随着网络状况而动态变化的，这里为了方便介绍，没有考虑这些情况（分明就是懒~），所以图中会有一些出入（这也是我强烈建议大家结合书本一起看的原因），但是大家自己一定要分清楚！！！另外，在tcp流量控制，还会再介绍滑动窗口