目錄

滑動(dòng)窗口

1.發(fā)送窗口和接收窗口

2.滑動(dòng)窗口的分類

停止等待協(xié)議：發(fā)送窗口大小 = 1， 接收窗口大小= 1

后退N幀協(xié)議（GBN）：發(fā)送窗口大小 > 1，接收窗口大小 = 1

選擇重傳協(xié)議（SR） ：發(fā)送窗口大小 > 1， 接收窗口大小 > 1

擁塞控制

慢開(kāi)始算法和擁塞避免：

快重傳和快恢復(fù)：

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滑動(dòng)窗口

滑動(dòng)窗口協(xié)議是用來(lái)改善吞吐量的一種技術(shù)，即容許發(fā)送方在接收任何應(yīng)答之前傳送附加的包。接收方告訴發(fā)送方在某一時(shí)刻能送多少包（稱窗口尺寸）。

TCP中采用滑動(dòng)窗口來(lái)進(jìn)行傳輸控制，滑動(dòng)窗口的大小意味著接收方還有多大的緩沖區(qū)可以用于接收數(shù)據(jù)。發(fā)送方可以通過(guò)滑動(dòng)窗口的大小來(lái)確定應(yīng)該發(fā)送多少字節(jié)的數(shù)據(jù)。當(dāng)滑動(dòng)窗口為0時(shí)，發(fā)送方一般不能再發(fā)送數(shù)據(jù)包，但有兩種情況除外：

?一種情況是可以發(fā)送緊急數(shù)據(jù)，例如，允許用戶終止在遠(yuǎn)端機(jī)上的運(yùn)行進(jìn)程。

?另一種情況是發(fā)送方可以發(fā)送一個(gè)1字節(jié)的數(shù)據(jù)報(bào)來(lái)通知接收方重新聲明它希望接收的下一字節(jié)及發(fā)送方的滑動(dòng)窗口大小。

1.發(fā)送窗口和接收窗口

發(fā)送窗口（swnd）：

假設(shè)發(fā)送方可連續(xù)發(fā)送幀，那么發(fā)送窗口為發(fā)送方已發(fā)送但待確認(rèn)幀的最大個(gè)數(shù)。

比如發(fā)送窗口為8，那么發(fā)送方如果已經(jīng)有8個(gè)幀沒(méi)有得到確認(rèn)，就必須等待某個(gè)確認(rèn)幀到達(dá)后才可以繼續(xù)往下發(fā)送幀。

接收窗口(rwnd)：

它是TCP接收緩沖區(qū)，用于尚未由應(yīng)用程序處理的傳入數(shù)據(jù)。使用TCP頭的窗口大小字段將TCP接收窗口的大小傳達(dá)給發(fā)送方。該字段告訴發(fā)送方在接收到確認(rèn)之前可以在線路上發(fā)送多少數(shù)據(jù)。如果接收器無(wú)法盡快處理數(shù)據(jù)，則接收緩沖區(qū)將逐漸填充，并且確認(rèn)數(shù)據(jù)包中的TCP窗口將減少。這將警告發(fā)送方它需要減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量或讓接收方有時(shí)間清除緩沖區(qū)。

2.滑動(dòng)窗口的分類

滑動(dòng)窗口分為三類：停止等待、后退N幀、選擇重傳。他們之間主要的區(qū)別就是：發(fā)送窗口和接收窗口大小的區(qū)別。

停止等待協(xié)議：發(fā)送窗口大小 = 1， 接收窗口大小= 1

發(fā)送方?A?發(fā)送數(shù)據(jù), 每發(fā)送一幀就停止發(fā)送。并等待接收方?B?發(fā)送確認(rèn), 收到確認(rèn)后?A?就發(fā)送下一幀。

在傳輸時(shí), 數(shù)據(jù)往往會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò), 對(duì)以下差錯(cuò), 該協(xié)議會(huì)進(jìn)行不同的處理。

（1）超時(shí)重傳(針對(duì)?A?的差錯(cuò)情況)

若在發(fā)送過(guò)程中數(shù)據(jù)幀出現(xiàn)丟失或差錯(cuò), 此時(shí)?B?不會(huì)收到數(shù)據(jù)幀或者丟棄收到的數(shù)據(jù)幀, 總之,B?不會(huì)發(fā)送確認(rèn)。此時(shí)?A?會(huì)一直等待, 但不會(huì)超過(guò)設(shè)置的等待時(shí)間（通常會(huì)設(shè)置一個(gè)超時(shí)計(jì)時(shí)器）。?A?重傳該數(shù)據(jù)幀。

（2）確認(rèn)丟失和確認(rèn)遲到（針對(duì)?B?的出錯(cuò)情況)

確認(rèn)丟失: 若?B?在回復(fù)確認(rèn)時(shí)確認(rèn)出現(xiàn)丟失, 則?A?也會(huì)一直等待, 也不會(huì)超過(guò)設(shè)置的等待時(shí)間。?A?重傳該數(shù)據(jù)幀。且B?會(huì)丟掉重復(fù)的數(shù)據(jù)幀。重傳確認(rèn)。

確認(rèn)遲到: 若?B?在回復(fù)確認(rèn)時(shí)確認(rèn)很久才到, 則?A?也會(huì)一直等待, 同樣也不會(huì)超過(guò)設(shè)置的等待時(shí)間。?A?重傳該數(shù)據(jù)幀。且B?也會(huì)丟掉重復(fù)的數(shù)據(jù)幀。重傳確認(rèn)。于是?A?正常收到來(lái)自重傳的確認(rèn), 但是后面又收到遲到的相同的確認(rèn),A?收下但什么也不做。

后退N幀協(xié)議（GBN）：發(fā)送窗口大小 > 1，接收窗口大小 = 1

停止等待協(xié)議發(fā)一次就等待確認(rèn), 這樣會(huì)使信道利用率太低, 于是, 我們可以讓發(fā)送方連續(xù)分送多個(gè)協(xié)議。不用發(fā)一次幀就等待依次確認(rèn), 采用如下的流水線傳輸。

為了讓流水線傳輸可維持可靠傳輸?shù)奶匦? 于是讓發(fā)送方與接收到都維護(hù)一個(gè)滑動(dòng)窗口。

發(fā)送窗口：在發(fā)送窗口內(nèi)發(fā)送連續(xù)幀

發(fā)送窗口所遇事件：

1.收到

動(dòng)作：發(fā)送方收到累計(jì)確認(rèn)并前移: 收到ACK,發(fā)送方會(huì)認(rèn)為接收方已經(jīng)收到n號(hào)幀和它前面的那些幀，發(fā)送窗口前移至下界到n下一格的位置

2.已發(fā)送數(shù)據(jù)幀(上圖標(biāo)橙部分)等待收到確認(rèn)時(shí)間超時(shí)

動(dòng)作：發(fā)送方重傳已發(fā)送但未被確認(rèn)的幀

3.數(shù)據(jù)幀全部發(fā)送(橙色部分全部占滿窗口)

動(dòng)作：發(fā)送方將數(shù)據(jù)返回給上層，過(guò)一會(huì)兒在發(fā)送

4.數(shù)據(jù)幀未全部發(fā)送(橙色部分未占滿窗口)

動(dòng)作：發(fā)送方按序拷貝一份數(shù)據(jù)并發(fā)送給接收方

這里需要注意的是累計(jì)確認(rèn)與超時(shí)重傳，重傳需要重傳所有未被確認(rèn)的幀。(這也是后退N幀協(xié)議名稱的由來(lái))主要是因?yàn)榻邮辗嚼塾?jì)確認(rèn)的原因, 發(fā)送方不知道哪些幀被接收方收到了，具體細(xì)節(jié)在接收方窗口中細(xì)講。

接收窗口：

后退N幀協(xié)議中位于接收窗口內(nèi)的序號(hào)是接收方希望收到的下一個(gè)幀，（注: 后退N幀協(xié)議的接收窗口大小?=1?,即只有窗口內(nèi)只有?1?個(gè)數(shù)據(jù)）

接收窗口所遇事件：

1.收到位于窗口內(nèi)的幀

動(dòng)作：接收窗口前移一格，數(shù)據(jù)交付上層

2.按序（接收窗口收到希望收到的幀，窗口前移，下一個(gè)幀又是窗口希望收到的幀）

動(dòng)作：收到幾個(gè)幀后，對(duì)按序到達(dá)的最后一個(gè)幀發(fā)送確認(rèn)（累積確認(rèn)）

3.未按序收到幀

動(dòng)作：丟棄該幀，并為最近按序收到的幀重發(fā)ACK

累計(jì)確認(rèn)：

若未按序收到幀, 則丟棄該幀, 并且要重傳最近按序收到的幀的ACK。這就是累計(jì)確認(rèn)。因此發(fā)送方的某幀超時(shí)未收到確認(rèn), 代表該幀出現(xiàn)問(wèn)題, 后面的幀已經(jīng)被丟掉了, 需要再傳。

累計(jì)確認(rèn)的確認(rèn)方式為若有?發(fā)送, 則 n號(hào)幀和前面所有幀均已按序接收。(或：接收窗口停在 n?處,?則n?1?號(hào)幀和前面所有幀均已按序接收)

后退N幀協(xié)議滑動(dòng)窗口大小

?首先需要明確的是,GBN協(xié)議中接收窗口的大小 =1
?其次,GBN協(xié)議中,對(duì)發(fā)送窗口的大小也有要求,若采用 n 比特編號(hào),發(fā)送窗口的大小應(yīng)滿足：

，這是因?yàn)榘l(fā)送窗口過(guò)大,會(huì)使得接收方無(wú)法區(qū)別新幀和舊幀。

選擇重傳協(xié)議（SR） ：發(fā)送窗口大小 > 1， 接收窗口大小 > 1

后退N幀協(xié)議由于采取累計(jì)確認(rèn)的方式, 重傳所有未被確認(rèn)的幀, 這樣做在某些質(zhì)量差的信道中會(huì)極大降低信道利用率。于是我們想只重傳出錯(cuò)的幀, 這時(shí)我們需要加大接收窗口的長(zhǎng)度, 緩存亂序到達(dá)的幀, 這就是選擇重傳協(xié)議(SR)。

發(fā)送窗口：位于發(fā)送窗口內(nèi)的幀都可以連續(xù)發(fā)送出去

發(fā)送窗口所遇事件：

1.收到

動(dòng)作：若n不為窗口下界(最左)，則SR發(fā)送方將n窗口(n窗口為橙色)標(biāo)記為已發(fā)送(圖中為涂上黃色)。若n為窗口下界，則窗口下界移動(dòng)至最左邊未被確認(rèn)的幀(橙色)處。

2.已發(fā)送數(shù)據(jù)幀(上圖標(biāo)橙部分)等待收到確認(rèn)時(shí)間超時(shí)

動(dòng)作:發(fā)送方重傳該幀。(每個(gè)幀都有自己的超時(shí)器，一個(gè)幀超時(shí)只重傳那一個(gè)幀)

3.數(shù)據(jù)幀全部發(fā)送(橙色部分全部占滿窗口)

動(dòng)作:發(fā)送方將數(shù)據(jù)返回給上層，過(guò)一會(huì)兒再發(fā)送

4.數(shù)據(jù)幀未全部發(fā)送(橙色部分未占滿窗口)

動(dòng)作：發(fā)送方按序拷貝一份數(shù)據(jù)并發(fā)送給接收方

如圖所示：假設(shè)?2?號(hào)幀超時(shí), 只用重傳?2?號(hào)幀。其他幀都收到確認(rèn)了就不用重傳了。

接收窗口：位于接收窗口內(nèi)的幀都可以被接收并發(fā)送確認(rèn), 而不會(huì)被丟棄。

接收窗口所遇事件：

1.收到位于窗口內(nèi)的幀

動(dòng)作：標(biāo)記為已收到(黃色)并返回該順的確認(rèn)

2.從下界開(kāi)始有連續(xù)被標(biāo)記的幀

動(dòng)作：向前滑動(dòng)至沒(méi)有被標(biāo)記的幀處

3.接收到了小于窗口下界的幀

動(dòng)作：返回一個(gè)ACK（注：接收方發(fā)送的 ACK 失,需要重傳 ACK，其他情況忽略該幀）

總之, 這樣設(shè)置滑動(dòng)窗口可以不必重傳所有幀,?只需重傳已超時(shí)的幀即可。

滑動(dòng)窗口協(xié)議的大小：

對(duì)于所有的滑動(dòng)窗口協(xié)議,為了讓窗口能區(qū)別新和舊,發(fā)送窗口同樣有

對(duì)接收窗口而言,至少為 1，則

兩不等式聯(lián)立得

SR協(xié)議的滑動(dòng)窗口的大小：

因?yàn)?對(duì)于所有的滑動(dòng)窗口協(xié)議都存在

但是,對(duì)SR協(xié)議而言,接收窗口與接收窗口長(zhǎng)度都不固定,當(dāng)限制? 時(shí),且

時(shí)，兩者之和絕對(duì)不超過(guò)?
且對(duì)SR協(xié)議,為提高傳輸效率,滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度等于接收窗口長(zhǎng)度，這樣不會(huì)造成溢出(即發(fā)送了大于對(duì)方窗口上界的幀或 ACK）,于是是最好的值,并且在實(shí)際應(yīng)用中,最好有==

參考：?可靠傳輸協(xié)議—停止等待、后退N幀、選擇重傳 - 知乎 (zhihu.com)

擁塞控制

在某段時(shí)間，若對(duì)網(wǎng)絡(luò)中某一資源的需求超過(guò)了該資源所能提供的可用部分，網(wǎng)絡(luò)性能就要變壞

這種情況就叫做擁塞(congestion)。
在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路容量 (即帶寬)、交換結(jié)點(diǎn)中的緩存和處理機(jī)等，都是網(wǎng)絡(luò)的資源。

若出現(xiàn)擁塞而不進(jìn)行控制，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量將隨輸入負(fù)荷的增大而下降

慢開(kāi)始算法和擁塞避免：

發(fā)送方維護(hù)一個(gè)叫做擁塞窗口cwnd的狀態(tài)變量其值取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并且動(dòng)態(tài)變化

?擁塞窗口cwnd的維護(hù)原則:只要網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就再增大一些;但只要網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就減少一些

?判斷出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞的依據(jù): 沒(méi)有按時(shí)收到應(yīng)當(dāng)?shù)竭_(dá)的確認(rèn)報(bào)文 (即發(fā)生超時(shí)重傳)

發(fā)送方將擁塞窗口作為發(fā)送窗口swnd，即swnd = cwnd
維護(hù)一個(gè)慢開(kāi)始門限ssthresh狀態(tài)變量:
?當(dāng)cwnd<ssthresh時(shí)，使用慢開(kāi)始算法;

?當(dāng)cwnd>ssthresh時(shí)，停止使用慢開(kāi)始算法而改用擁塞避免算法;

?當(dāng)cwnd=ssthresh時(shí)，既可以使用慢開(kāi)始算法，也可以擁塞避免算法;

（1）在TCP雙方建立邏輯連接關(guān)系時(shí)，擁塞窗口的值被設(shè)置為1，并設(shè)置慢開(kāi)始門限的初始值，這里采用16。

（2）在進(jìn)行慢開(kāi)始算法時(shí)，發(fā)送方每接收到一個(gè)對(duì)新報(bào)文段的確認(rèn)時(shí)，就把擁塞窗口值加1，并開(kāi)始下一輪的傳輸。

（3）當(dāng)擁塞窗口值增長(zhǎng)到慢開(kāi)始門限值時(shí)，就改用擁塞避免算法，由于發(fā)送方當(dāng)前的擁塞窗口值是1，而發(fā)送窗口值=擁塞窗口值，因此發(fā)送方此時(shí)只能發(fā)送一個(gè)TCP報(bào)文段。即，擁塞窗口值是幾，就能發(fā)送幾個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文段。

現(xiàn)在我們通過(guò)展現(xiàn)擁塞窗口隨傳輸輪次的變化來(lái)理解：

傳輸輪次：

發(fā)送方給接收方發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文后，接收方給發(fā)送方發(fā)回相應(yīng)的確認(rèn)報(bào)文段，一個(gè)傳輸輪次所經(jīng)歷的時(shí)間其實(shí)就是往返時(shí)間。

注：往返時(shí)間并非是恒定的數(shù)值，使用傳輸輪次是為了強(qiáng)調(diào)把擁塞窗口所允許發(fā)送的報(bào)文段都連續(xù)發(fā)送出去，并收到了對(duì)已發(fā)送的最后一個(gè)報(bào)文段的確認(rèn)。

步驟一：

發(fā)送方到收到確認(rèn)后，將擁塞窗口值+1（此時(shí)窗口值為2），這樣擁塞窗口就可以發(fā)送2個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文段，當(dāng)發(fā)送方收到2個(gè)報(bào)文段的確認(rèn)后，將窗口值+2(2+2=4),接下來(lái)就可以發(fā)送4個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文段，以此類推....即擁塞窗口值為2，4，8，16

步驟二：

現(xiàn)在增大到了慢開(kāi)始門限值，改用擁塞避免算法：

每個(gè)傳輸輪次結(jié)束后，擁塞窗口值只能線性+1，發(fā)送方給接收方發(fā)送17個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文段，若收到接收方返回的確認(rèn)后，繼續(xù)線性+1

如圖所示：

步驟三：

當(dāng)擁塞窗口為24時(shí)，若發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)部分丟失，發(fā)送方就會(huì)對(duì)這些報(bào)文段進(jìn)行超時(shí)重傳，

并且確定網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，做一下操作：

1.ssthresh值更新為發(fā)生擁塞時(shí)cwnd值的一半，如圖則為12

2.將擁塞窗口值減小為1，并重新開(kāi)始慢開(kāi)始算法，當(dāng)擁塞窗口達(dá)到新的門限值時(shí)，則改用擁塞避免算法

注：

1.慢開(kāi)始是指一開(kāi)始向網(wǎng)絡(luò)注入的報(bào)文段少，并不是指擁塞窗口cwnd增長(zhǎng)速度慢

2.“擁塞避免”并非指完全能夠避免擁塞，而是指在擁塞避免階段將擁塞窗口控制為按線性規(guī)律增長(zhǎng)，使網(wǎng)絡(luò)比較不容易出現(xiàn)擁塞。

快重傳和快恢復(fù)：

有時(shí)，個(gè)別報(bào)文段會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中丟失，但實(shí)際上網(wǎng)絡(luò)并未發(fā)生擁塞這將導(dǎo)致發(fā)送方超時(shí)重傳，并誤認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞。于是發(fā)送方將擁塞窗口減少為1，并錯(cuò)誤地啟動(dòng)慢開(kāi)始算法，因而降低了傳輸效率。

快重傳：

所謂快重傳，就是使發(fā)送方盡快進(jìn)行重傳，而不是等超時(shí)重傳計(jì)時(shí)器超時(shí)再重傳，采用快重傳算法可以讓發(fā)送方盡早知道發(fā)生了個(gè)別報(bào)文段的丟失。

這就要求接收端：

?接收方不要等待自己發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才進(jìn)行捎帶確認(rèn)，而是要立即發(fā)送確認(rèn);

?即使收到了失序的報(bào)文段也要立即發(fā)出對(duì)已收到的報(bào)文段的重復(fù)確認(rèn)。

?發(fā)送方一旦收到3個(gè)連續(xù)的重復(fù)確認(rèn)，就將相應(yīng)的報(bào)文段立即重傳，而不是等該報(bào)文段的超時(shí)重傳計(jì)時(shí)器超時(shí)再重傳。

這樣就不會(huì)造成對(duì)報(bào)文3的超時(shí)重傳，而是提早進(jìn)行了重傳，對(duì)于個(gè)別丟失的報(bào)文段，發(fā)送方不會(huì)出現(xiàn)超時(shí)重傳，也就不會(huì)誤認(rèn)為出現(xiàn)了擁塞(進(jìn)而降低擁塞窗口cwnd為1)。使用快重傳可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量提高約20%

快恢復(fù)：

發(fā)送方一旦收到3個(gè)重復(fù)確認(rèn)，就知道現(xiàn)在只是丟失了個(gè)別的報(bào)文段。于是不啟動(dòng)慢開(kāi)始算法，而執(zhí)行快恢復(fù)算法。

?發(fā)送方將慢開(kāi)始門限ssthresh值和擁塞窗口cwnd值調(diào)整為當(dāng)前窗口的一半; 開(kāi)始執(zhí)行擁塞避免算法?也有的快恢復(fù)實(shí)現(xiàn)是把快恢復(fù)開(kāi)始時(shí)的擁塞窗口cwnd值再增大一些，即等于新的ssthresh + 3。既然發(fā)送方收到3個(gè)重復(fù)的確認(rèn)，就表明有3個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文段已經(jīng)離開(kāi)了網(wǎng)絡(luò);這3個(gè)報(bào)文段不再消耗網(wǎng)絡(luò)資源而是停留在接收方的接收緩存中;可見(jiàn)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中不是堆積了報(bào)文段而是減少了3個(gè)報(bào)文段。因此可以適當(dāng)把擁塞窗口擴(kuò)大些。

例題：

一個(gè)TCP連接總是以1KB的最大段長(zhǎng)發(fā)送TCP段，發(fā)送方有足夠多的數(shù)據(jù)要發(fā)送。當(dāng)擁塞窗口為16KB時(shí)發(fā)生了超時(shí)，如果接下來(lái)的4個(gè)RTT(往返時(shí)間)內(nèi)的TCP段的傳輸都是成功的，那么當(dāng)?shù)?個(gè)RTT時(shí)間內(nèi)發(fā)送的所有TCP段都得到肯定應(yīng)答時(shí)，擁塞窗口大小是（9KB）

注：題目未給出初始“慢開(kāi)始門限值”，如圖的傳輸輪次只是便于理解。