TCP的滑动窗口与接收窗口、发送窗口、拥塞窗口之间的关系与动态调整机制详解 1. 描述 TCP通过滑动窗口机制实现可靠传输、流量控制和拥塞控制。其核心依赖四个关键窗口： 发送窗口（Send Window, SWND） 、 接收窗口（Receive Window, RWND） 、 拥塞窗口（Congestion Window, CWND） 和 滑动窗口（有效发送窗口） 。这四个窗口的交互决定了TCP发送数据的速率和效率。它们的关系是： 有效发送窗口 = min(拥塞窗口, 接收窗口) 。该机制必须动态适应网络状况和接收方处理能力，确保高效可靠的数据传输。 2. 四个核心窗口的定义与作用 2.1 发送窗口（SWND） 定义 ：发送方维护的一个抽象概念，表示 允许连续发送但未经确认的字节序号范围 。 结构 ：由三个指针界定： SND.UNA ：已发送未确认的第一个字节序号。 SND.NXT ：下一个要发送的字节序号。 SND.WND ：从 SND.UNA 开始，允许发送的最大窗口大小（由接收方通告）。 意义 ： SWND = [SND.UNA, SND.UNA + SND.WND) 。只有序号在此范围内的数据可以发送或重传。 2.2 接收窗口（RWND） 定义 ：接收方通过TCP首部 Window 字段通告给发送方的一个值，表示 接收缓冲区剩余可用空间大小 。 作用 ：流量控制的关键。发送方不得发送超过 RWND 的数据，防止接收方缓冲区溢出。 动态性 ： RWND 随应用层读取数据而增大，随数据到达而减小。每次ACK都会携带最新的 RWND 。 2.3 拥塞窗口（CWND） 定义 ：发送方根据网络拥塞状况估计的窗口值，用于 限制注入网络的未确认数据量 。 算法控制 ：通过慢启动、拥塞避免、快速重传/恢复等算法动态调整。 单位 ：通常以报文段（MSS）为单位。 2.4 有效发送窗口（Actual Window） 核心公式 ： 有效发送窗口 = min(CWND, RWND) 意义 ：发送方实际允许发送的数据量受两者共同制约。流量控制（RWND）与拥塞控制（CWND）协同作用。 3. 窗口的动态调整与协同工作过程 3.1 连接建立阶段 初始CWND ：通常为1-10个MSS（如Linux默认为10）。 初始RWND ：接收方在SYN+ACK中通告其初始接收窗口大小（如65535字节）。 发送窗口初始化 ： SND.UNA = 初始序列号， SND.NXT = SND.UNA+1 ， SND.WND = 初始RWND。 3.2 数据传输阶段的调整流程 步骤1：发送数据 发送方检查： SND.NXT - SND.UNA < min(CWND, RWND) ？ 若条件满足，发送新数据；否则等待。 步骤2：收到ACK 更新 SND.UNA ： SND.UNA = ACK序号（确认了该序号之前的所有数据）。 更新 SND.WND ： SND.WND = 新ACK中通告的RWND。 滑动窗口 ：窗口前沿右移，可能允许发送新数据。 步骤3：接收方更新RWND 数据到达 ：数据存入接收缓冲区， RWND 减小（RWND = 接收缓冲区总大小 - 待处理数据量）。 应用读取 ：应用读取数据后， RWND 增大。 通告时机 ：通常每两个报文段或延迟确认超时（~200ms）发送带最新RWND的ACK。 步骤4：拥塞窗口调整 慢启动 ：每收到一个非重复ACK，CWND增加1个MSS（指数增长）。 拥塞避免 ：CWND达到慢启动阈值（ssthresh）后，每RTT增加1个MSS（线性增长）。 拥塞发生 ： 超时重传 ：ssthresh = CWND/2，CWND = 1 MSS，进入慢启动。 快速重传 ：ssthresh = CWND/2，CWND = ssthresh + 3 MSS，进入快速恢复。 3.5 窗口的动态互动示例 假设：RWND = 32 KB，CWND = 16 KB（初始）。 有效窗口 = min(16, 32) = 16 KB → 发送方发送16 KB数据。 接收方应用读取慢，缓冲区剩8 KB空闲 → RWND = 8 KB。 新ACK到来：SND.WND = 8 KB。 此时若CWND仍为16 KB，有效窗口 = min(16, 8) = 8 KB → 发送速率被流量控制限制。 若网络拥塞导致丢包，发送方超时重传，CWND重置为1 MSS（如1 KB）。 有效窗口 = min(1, 8) = 1 KB → 发送速率受拥塞控制限制。 3.6 特殊场景 零窗口（Zero Window） ：RWND = 0时，发送方启动持续计时器，发送窗口探测报文。 窗口缩放选项 ：若RWND > 65535字节，使用Window Scale Option放大窗口（左移位数）。 SACK影响 ：选择性确认允许发送方精确重传丢失段，避免整个窗口重传，提升效率。 4. 关键点总结 核心约束 ：有效发送窗口 = min(CWND, RWND)，同时受网络拥塞和接收方能力限制。 流量控制 ：由RWND实现，通过ACK动态通告。 拥塞控制 ：由CWND实现，通过算法（AIMD）动态调整。 滑动机制 ：收到ACK后，窗口前沿右移，可能允许新数据发送。 动态平衡 ：TCP通过此机制自适应网络和接收方，最大化吞吐同时避免拥塞或溢出。 通过以上协同机制，TCP实现了可靠、高效、自适应的数据传输。