TCP的接收窗口与发送窗口详解

一、知识点描述
在TCP协议中，接收窗口（Receiver Window, rwnd）和发送窗口（Sender Window, swnd）是实现流量控制与可靠传输的核心机制。它们定义了接收端能够接受的数据量以及发送端能够发送的数据量，两者协同工作，确保数据传输既高效又不会压垮接收端。简单来说，它们共同决定了发送方“在未收到确认前，最多能发送多少字节数据”。

二、核心原理与交互关系

1. 基本定义
   • 接收窗口（rwnd）：接收方通告给发送方的一个值，表示接收方缓冲区当前可用的空间大小（单位：字节）。它动态变化，取决于接收方处理数据的速度。
   • 发送窗口（swnd）：发送方维护的一个动态窗口，其大小由两个因素共同决定：接收窗口（rwnd） 和 拥塞窗口（cwnd）。实际发送窗口大小是两者的最小值：

\[ swnd = \min(rwnd, cwnd) \]

 发送窗口内的字节可以被连续发送，无需等待确认。

2. 窗口的协同工作机制
   • 接收方通过TCP报文头中的“窗口大小”字段，将当前rwnd告知发送方（经窗口缩放因子调整后）。
   • 发送方根据收到的rwnd和自身计算的cwnd，动态调整swnd的右边界，控制已发送但未确认的数据量不超过swnd。
   • 当接收方处理完缓冲区数据，rwnd增大，并通过ACK报文通告新窗口；发送方检测到swnd扩大，即可继续发送新数据。
   • 如果rwnd减为0，发送方会启动零窗口探测，定期查询窗口是否重新打开。

三、详细运行步骤
假设发送方（A）向接收方（B）传输数据，缓冲区初始状态如下：

1. 初始状态

   • B通告rwnd = 3000字节（假设拥塞窗口足够大，cwnd > 3000）。
   • A的发送窗口swnd = 3000字节，窗口左边界指向已确认的序列号，右边界 = 左边界 + 3000。

2. 发送数据

   • A连续发送序列号1~1000、1001~2000、2001~3000的三个段（各1000字节），此时已发送未确认数据占满swnd=3000，暂停发送。

3. 接收方处理与窗口更新

   • B收到前两个段（1~2000字节），但应用层仅读取了1000字节，缓冲区剩余可用空间减少。
   • 计算新rwnd = 总缓冲区容量 - 未读取数据量。假设缓冲区总大小4000字节，当前未读取数据为2000字节（已收2000但未读），则rwnd = 4000 - 2000 = 2000字节。
   • B在确认序列号2001的ACK中携带rwnd=2000。

4. 发送方调整窗口

   • A收到ACK后，窗口左边界移动到2001（表示2000及之前数据已确认）。
   • 更新swnd = min(新rwnd=2000, cwnd)=2000，窗口右边界调整为2001+2000=4001。
   • 此时A可继续发送序列号3001~4001的数据（因为2001~3000已发送但未确认，仍占窗口内部分位置）。

5. 零窗口场景

   • 若B的缓冲区满，rwnd=0，A暂停发送并启动零窗口探测定时器。
   • 当B的应用层读取数据后，rwnd>0，可在A的探测包或下一个ACK中通告新窗口，恢复传输。

四、关键注意事项

1. 窗口更新延迟：TCP使用累计确认，ACK通常携带最新的rwnd，但可能存在延迟或丢失，发送方需以最新收到的rwnd为准。
2. 接收窗口缩放：实际rwnd通过TCP选项“窗口缩放因子”左移运算放大，以支持高速网络。
3. 窗口与吞吐量：最大吞吐量受限于min(rwnd, cwnd)/RTT，若rwnd过小可能限制传输速度。
4. 糊涂窗口综合征：避免通告过小的窗口（如1字节），可通过延迟通告或积累一定空间后再更新窗口。

五、总结
接收窗口是接收方处理能力的实时反馈，发送窗口是发送方根据网络拥塞和接收能力自我调节的“发送许可证”。两者通过动态协商实现端到端的流量控制，并与拥塞控制协同，构成了TCP可靠传输与效率平衡的基石。