TCP 重传、滑动窗口、流量控制、拥塞控制

重传机制

TCP 实现可靠传输是基于序列号和确认应答号，当一方发送序列号为[1, 1999]的报文后，另一方收到后会回复2000的确认应答，如下图所示：

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但网络情况是多变的，有很多原因可能导致报文无法顺利达到另一方，如：报文丢失、网络阻塞等，TCP 有四种常见的重传机制保证报文一定可以达到另一方

超时重传

在一次完整的「请求-响应」中，可能会出现两种丢失的情况：数据包丢失；确认应答丢失。如下图所示：

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RTT (Round-Trip Time) 是往返时延，表示一次完整的「请求-响应」时间，即发送方发送数据包到发送方收到接收方的确认应答所需的时间

RTO (Retransmission Timeout) 是超时重传时间，表示当发送方发送数据包后，如果在 RTO 时间内没有收到接收方的确认应答，那么发送方就重传数据包

一般来说，RTO 应略大于 RTT，但 RTT 并非保持不变，随着网络变化，RTT 或快或慢，所以 RTO 的设置比较麻烦

可以看出超时重传的时间设置难以把握，主要是 RTO 过大会重传不及时，过小会误重传！！

快速重传

TCP 通信的双方都有缓存，所有并不需要每次都「一请求」「一应答」的模式通信，发送方可以一次发送多个数据包，接收方可以使用累计确认，如下图所示：

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超时重传是以时间判断是否需要重传，而快速重传是以收到 ACK 确认应答的数量判断，当连续收到三次冗余数据包对应的确认应答就会触发重传，如下图所示：

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注意：收到三次冗余的确认应答表示需要重传，但会发现上图接收方发送了四次 ACK 2，第一次 ACK 2 是正常的确认应答，而后三次才算冗余

快速重传的问题也很明显，无法确定要重传哪些数据包，如上图所示，到底是只用重传 Seq 2 就够了，还是需要重传 Seq 2 以及后面的数据包呢？？

选择重传

针对快速重传的问题提出了选择重传，也就是 SACK (Selective Acknowledgment) 方法，在确认应答中会附带接受方缺失数据包的序列号，如下图所示：

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Duplicate SACK

Duplicate SACK 又称 D-SACK，主要使用 SACK 来告诉发送方哪些数据被重复接收，还可以知道重复发送数据的原因：ACK 丢失、网络延迟、包复制

D-SACK 和 SACK 的区别：D-SACK 中第一个连续的 block 是记录重复包的序列空间。如果第一个 block 的范围被 ACK 范围覆盖，表示为 D-SACK；如果第一个 block 的范围被第二个 block 的范围覆盖，也表示为 D-SACK；其余情况都表示 SACK

例子一：ACK 丢失

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可以看到第一个 block 的范围[100, 200)，它被 ACK 范围覆盖，表示收到了重复数据。接收方发送的确认应答号为 300，但 D-SACK 第一个范围为[100, 200)，表示 300 之前的数据都已经被接收，数据包[100, 200)早已被接收，所以发送方可以知道是 ACK 丢失导致的重发

例子二：网络延迟

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例子三：包复制

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强调：可以看出，D-SACK 相比于 SACK 的好处在于不仅可以选择重传，而且可以判断出选择重传的原因，如：ACK 丢失、网络延迟、包复制

滑动窗口

前文说过，采用 TCP 协议双方并没有使用「一请求」「一应答」的通信模式，如果 RTT 过长会导致这样通信的效率极低。TCP 引入窗口的概念，窗口的大小指无需等待确认应答，而可以发送的最大数据长度

窗口的底层实现是操作系统开辟了一块缓存空间，发送方在等待确认应答返回之前，必须在缓冲区中保留已发送的数据，如果按期收到确认应答，就将数据从缓冲区中移除

一般来说，接收方会告诉发送方自己还有多少缓冲区可以用来接收数据，发送方会根据接收方的缓冲区大小动态调整发送数据的数量 (单位：字节)，否则可能导致接收方处理不过来

所以，发送方窗口大小是根据接收方窗口大小决定滴，且发送方窗口大小不能超过接收方窗口大小

发送方滑动窗口

对于发送方，根据数据的处理情况可分为四个部分，如下图所示：

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通过三个指针可以表示滑动窗口的关键信息：

通过这三个指针还可以计算出可用窗口大小，也就是未发送但在接收方处理范围内的数据大小，计算公式：SND.WND - (SND.NXT - SND.UNA)

接收方滑动窗口

对于接收方，根据数据的处理情况可分为三个部分，如下图所示：

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通过两个指针可以表示滑动窗口的关键信息：

流量控制

发送方不能无脑的向接收方发送数据，需要根据接收方处理数据的能力来决定发送数据的数量，这就是通过滑动窗口来控制

在 TCP 报文段 首部有一个窗口大小字段，它记录了报文段发送者可以接收数据的缓冲区大小，也就是接收方滑动窗口的大小，在每一次通信中都会交换该信息，这表示滑动窗口的大小是动态变化的

前文说过，滑动窗口就是操作系统开辟的一块缓存空间，如果同时收缩窗口和减少缓存可能会出现丢包的情况，因为缓存已经减少，但窗口的收缩还没有同步到发送方，发送方可能发送超过窗口大小的数据。一般都是先收缩窗口，等过一段时间再减少缓存，这样可以保证收缩窗口的操作同步到发送方

窗口关闭

窗口关闭是指接收方窗口为 0，发送方无法再给接收方发送数据，除非接收方窗口变为非 0。当接收方窗口从 0 变为非 0，接收方会发送一个 ACK 通知给发送方，通知中包含当前的窗口大小

由于 ACK 不会重传，所以如果通知窗口非 0 的 ACK 丢失，接收方不会重传 ACK，那么发送方永远都不知道窗口变为非 0，就会一直等待非 0 窗口的通知，如下图所示：

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为了解决这个问题，TCP 为每个连接设有一个持续计时器，只要 TCP 连接的任一一方收到对方的 0 窗口通知，就启动持续计时器，如果持续计时器超时，就会发送窗口探测 (Window probe) 报文，对方接收该报文后，会返回当前窗口的大小，如下图所示：

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注意：一般窗口探测报文会发送三次，每次大约间隔 30 - 60 秒，如果发送三次后接收方窗口依旧为 0，有的 TCP 实现就会发送 RST 报文中断连接

糊涂窗口综合症

如果接收方处理窗口内数据过慢，会导致发送方的发送窗口越来越小，直至窗口关闭。当接收方只处理了窗口内几个字节的数据后，发送方又可以发送数据，但也只能发送几个字节的数据，这样就有点得不偿失

因为 TCP + IP 头部就有 40 字节，如果数据只占几个字节，无疑白白增加了网络开销。如：一辆公交只有两个乘客就从起点送到终点，白白浪费资源，常见的做法是多等一会，等人多了再发车

上面描述的场景就是糊涂窗口综合症，由于窗口只腾出了几个字节的大小，但发送方也会义无返顾的发送几个字节的数据。针对这个问题，有两种解决方法：

拥塞控制

流量控制只考虑接收方能处理数据的大小，发送方根据该大小调整发送数据的数量；而拥塞控制主要考虑通信时的网络情况，根据网络情况调整数据发送的数量

如果完全不考虑网络情况，很容易出现网络拥堵，增加数据包延时，丢失的风险，而且这种情况会无限叠加，也就是不加处理的话网络只会越来越拥堵，丢包数量会越来越多

当网络发生拥塞时，TCP 会自我牺牲，减少发送数据的数量。为了控制发送方发送数据的数量，定义了一个拥塞窗口 (cwnd)

在没有加入拥塞控制之前，发送方窗口大小只和接收方窗口大小有关，但加入拥塞控制后发送方窗口大小和接收方窗口大小、拥塞窗口都有关，即：swnd = min(cwnd, rwnd)。其中：swnd 表示发送方窗口大小；rwnd 表示接收方窗口大小；cwnd 表示拥塞窗口大小

注意：swnd 和 rwnd 是以字节为单位；而 cwnd 是以报文段为单位，即：MSS。cwnd = 1 表示可以发送一个 MSS 大小的数据包

拥塞窗口的变化规则也很简单：当网络状态良好时，cwnd 增大；当网络出现拥塞时，cwnd 减少

判断网络出现拥塞的标准：只要发送方在规定时间内没有收到 ACK 应答报文，也就是发生了重传，就认为网络出现了拥塞

拥塞控制主要有四个算法：慢启动；拥塞避免；拥塞发生：快速恢复

慢启动

在 TCP 连接刚刚建立完成后，有一个慢启动的过程，也就是慢慢增加发送数据包的数量。慢启动算法的规则：发送方每收到一个 ACK，拥塞窗口 cwnd 就增加 1

假定发送窗口 swnd 和拥塞窗口 cwnd 相等，慢启动过程的变化如下图所示：

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慢启动过程中发送数据包的数量呈指数增加，也就是 2n，那么慢启动增涨到什么时候停止呢？

有一个叫慢启动门限 ssthresh (slow start threshold) 状态的变量

拥塞避免

当 cwnd >= ssthresh 时，将使用拥塞避免算法，该算法的规则：发送方每收到一个 ACK，拥塞窗口 cwnd 就增加 1/cwnd

假设 ssthresh = 8，那么发送方收到 8 个 ACK 时，拥塞窗口就增加 1，如下图所示：

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拥塞避免过程中发送数据包的数量呈线程增加，当网络出现拥塞时，也就是出现了重传现象时，进入下一阶段：拥塞发生

拥塞发生

当网络出现拥塞时，也就是出现了重传时，将使用拥塞发生算法。重传机制有两种：超时重传和快速重传，不同的重传机制有不同的拥塞发生算法

超时重传的拥塞发生

这种情况下，ssthresh 和 cwnd 的值会发生如下变化：

下面给出变化图：

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快速重传的拥塞发生

这种情况下，ssthresh 和 cwnd 的值会发生如下变化：

快速恢复

快速重传和快速恢复一般同时使用，快速恢复算法认为可以收到三个冗余的 ACK 确认应答，说明网络拥塞情况没有那么糟糕，拥塞窗口不需要从初始值开始，直接减半即可

在进入快速恢复之前，cwnd 和 ssthresh 已经被更新：cwnd = cwnd / 2；ssthresh = cwnd

快速恢复算法流程如下：

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