TCP的滑动窗口机制与流量控制的协同工作原理

描述
TCP滑动窗口是流量控制的核心机制，它通过接收窗口大小动态调节发送方的发送速率，避免接收方缓冲区溢出。本知识点将深入解析滑动窗口如何与流量控制协同工作，包括窗口通告、窗口更新、零窗口处理等关键环节。

解题过程/知识讲解

第一步：理解基本组成
滑动窗口涉及三个关键部分：

1. 发送窗口：发送方维护，表示当前允许发送但未被确认的数据范围。
2. 接收窗口：接收方维护，表示接收缓冲区剩余空间大小，通过ACK包通告给发送方。
3. 可用窗口：发送窗口内可立即发送的新数据量，计算为：
   可用窗口 = 接收窗口通告值 - (已发送未确认数据量)。

第二步：窗口协同工作流程

1. 初始状态：
   连接建立时，接收方在SYN-ACK包中通告初始接收窗口（如rwnd=65535）。
   发送方据此设置发送窗口上限，并按慢启动等算法发送数据。

2. 动态滑动过程：

   • 发送方每收到一个ACK，发送窗口左边界向右移动（确认数据移出窗口）。
   • 接收方处理数据后，缓冲区空间增加，通过后续ACK包携带新rwnd值更新发送方窗口右边界。
   • 示例：

     初始：发送窗口大小=rwnd=65535，已发送0字节。  
     发送方发送4096字节 → 剩余可用窗口=65535-4096=61439。  
     接收方处理2048字节后，缓冲区空闲2048字节 → 新rwnd=65535+2048=67583。  
     接收方在ACK中确认4096字节，并通告rwnd=67583 → 发送窗口右边界扩展。
     

第三步：零窗口处理机制
当接收方缓冲区满时，rwnd=0，触发零窗口状态：

1. 发送方立即停止发送数据，启动持续计时器。
2. 接收方缓冲区有空闲后，发送窗口更新包（ACK包携带新rwnd>0）。
3. 若窗口更新包丢失，发送方的持续计时器超时后，会发送零窗口探测包（1字节数据），强制接收方响应当前窗口大小。

第四步：流量控制与拥塞控制的协调
实际发送窗口大小受两者共同限制：

实际发送窗口上限 = min(接收方通告窗口rwnd, 拥塞窗口cwnd)

• rwnd主导：当接收方处理能力不足时，以rwnd为瓶颈。
• cwnd主导：当网络拥塞时，以cwnd为瓶颈。
• 协调示例：
  若rwnd=8192但cwnd=4096（网络拥塞），则发送窗口按4096限制发送，避免加重拥塞。

第五步：滑动窗口的优化机制

1. 窗口缩放选项：在TCP三次握手时协商缩放因子，将16位窗口字段扩展为30位，支持大带宽时延积网络。
2. SACK选项：允许接收方选择性确认非连续数据，发送方仅重传丢失片段，避免滑动窗口因单个丢失而停滞。
3. 延迟ACK与窗口更新：接收方可能延迟发送ACK，但窗口更新通常立即发送（避免发送方停滞）。

关键点总结

• 滑动窗口通过rwnd动态调整实现端到端流量控制。
• 零窗口通过持续计时器和探测包解决死锁。
• 最终发送速率由rwnd和cwnd共同决定，同时兼顾接收能力和网络状况。