TCP的零窗口探测机制

描述
TCP的零窗口探测机制用于解决接收方通告窗口为0时数据传输中断的问题。当接收方缓冲区已满，会通过窗口字段告知发送方暂停发送。但如果后续窗口更新报文丢失，通信将陷入永久等待。零窗口探测通过持续探测接收方窗口状态，确保数据传输能在窗口变大时及时恢复。

知识背景

1. 流量控制基础：TCP通过滑动窗口机制实现流量控制，接收方通过ACK报文中的窗口字段告知发送方剩余缓冲区大小。
2. 零窗口状态：当接收方缓冲区满时，窗口值变为0，发送方需暂停发送数据。
3. 潜在问题：若接收方后续发送的窗口更新报文丢失，发送方无法得知窗口已恢复，导致死锁。

零窗口探测的触发与执行过程

1. 触发条件

   • 发送方收到窗口为0的ACK报文后，启动持续计时器（Persist Timer）。
   • 计时器超时后，发送方触发零窗口探测。

2. 探测报文构造

   • 数据长度1字节：即使接收方窗口为0，TCP允许发送1字节数据，避免违反流量控制。
   • 序列号设置：探测报文的序列号为当前已发送但未确认的最小序列号（SND.NXT-1），避免推进序列号。
   • 接收方处理：若窗口仍为0，则丢弃数据并回复ACK（窗口值为0）；若窗口恢复，则正常确认并更新窗口。

3. 超时时间调整

   • 采用指数退避：首次超时时间通常为5秒，后续每次超时加倍，上限通常为60秒。
   • 收到非零窗口ACK后重置计时器。

示例场景分析

1. 初始状态

   • 接收方缓冲区满，发送ACK（Win=0）。
   • 发送方暂停发送，启动持续计时器（初始5秒）。

2. 第一次探测

   • 5秒后发送1字节探测数据（Seq=SND.NXT-1）。
   • 若窗口仍为0，接收方回复ACK（Win=0），发送方重置计时器（下次超时10秒）。

3. 窗口恢复

   • 接收方应用程序读取数据后，缓冲区空出，发送ACK（Win>0）。
   • 发送方收到后立即恢复数据传输，并关闭持续计时器。

机制关键点

1. 可靠性保障：探测报文本身受重传机制保护，避免因丢失导致探测失效。
2. 资源节约：通过指数退避控制探测频率，避免空耗网络资源。
3. 与重传计时器区别：零窗口探测针对流量控制死锁，重传计时器针对数据丢失。

实际应用中的优化

• 现代操作系统可能结合TCP时间戳选项，通过ACK报文携带最新窗口信息，减少显式探测。
• 应用程序可调整缓冲区大小或设计及时读取逻辑，降低零窗口发生概率。