概述
这是滑动窗口协议的另一种形式的流量控制方法。该协议允许发送方在停止并等待确认前可以连续发送多个分组。由于发送方不必每发一个分组就停下来等待确认,因此该协议可以加速数据的传输。
正常数据流
当一个分组到达时,它首先被设备中断例程进行处理,然后放置到IP的输入队列中。IP将按同样顺序将它们交给TCP。
使用TCP的滑动窗口协议时,接收方不必确认每一个收到的分组。在TCP中,ACK是累积的—它们表示接收方已经正确收到了一直到确认序号减 1的所有字节。
我们在线路上看到的分组顺序依赖于许多无法控制的因素:发送方 TCP的实现、接收方TCP的实现、接收进程读取数据(依赖于操作系统的调度)和网络的动态性(如以太网的冲突和退避等)。
滑动窗口
下图以可视化的方法展示了滑动窗口协议:

在这个图中,我们将字节从 1至11进行标号。接收方通告的窗口称为提出的窗口( offered window),它覆盖了从第 4字节到第 9字节的区域,表明接收方已经确认了包括第 3字节在内的数据,且通告窗口大小为 6。回顾第1 7章,我们知道窗口大小是与确认序号相对应的。发送方计算它的可用窗口,该窗口表明多少数据可以立即被发送。
当接收方确认数据后,这个滑动窗口不时地向右移动。窗口两个边沿的相对运动增加或减少了窗口的大小。我们使用三个术语来描述窗口左右边沿的运动:
- 称窗口左边沿向右边沿靠近为窗口合拢。这种现象发生在数据被发送和确认时。
- 当窗口右边沿向右移动时将允许发送更多的数据,我们称之为窗口张开。这种现象发生在另一端的接收进程读取已经确认的数据并释放了TCP的接收缓存时。
- 当右边沿向左移动时,我们称之为窗口收缩。
下图展示了窗口边沿的移动:

为窗口的左边沿受另一端发送的确认序号的控制,因此不可能向左边移动。如果接收到一个指示窗口左边沿向左移动的ACK,则它被认为是一个重复ACK,并被丢弃。
如果左边沿到达右边沿,则称其为一个零窗口,此时发送方不能够发送任何数据。
窗口大小
由接收方提供的窗口的大小通常可以由接收进程控制,这将影响TCP的性能。
PUSH标志
发送方使用该标志通知接收方将所收到的数据全部提交给接收进程。这里的数据包括与PUSH一起传送的数据以及接收方TCP已经为接收进程收到的其他数据。
目前大多数的API没有向应用程序提供通知其TCP设置PUSH标志的方法。的确,许多实现程序认为PUSH标志已经过时,一个好的TCP实现能够自行决定何时设置这个标志。
慢启动
如果在发送方和接收方之间存在多个路由器和速率较慢的链路时,就有可能出现一些问题。一些中间路由器必须缓存分组,并有可能耗尽存储器的空间。TCP需要支持一种被称为“慢启动 (slow start)”的算法。该算法通过观察新分组进入网络的速率应该与另一端返回确认的速率相同而进行工作。
慢启动为发送方的TCP增加了另一个窗口:拥塞窗口 (congestion window),记为cwnd。当与另一个网络的主机建立TCP连接时,拥塞窗口被初始化为 1个报文段(即另一端通告的报文段大小)。每收到一个ACK,拥塞窗口就增加一个报文段(cwnd以字节为单位,但是慢启动以报文段大小为单位进行增加)。发送方取拥塞窗口与通告窗口中的最小值作为发送上限。拥塞窗口是发送方使用的流量控制,而通告窗口则是接收方使用的流量控制。
发送方开始时发送一个报文段,然后等待ACK。当收到该ACK时,拥塞窗口从1增加为2,即可以发送两个报文段。当收到这两个报文段的ACK时,拥塞窗口就增加为4。这是一种指数增加的关系。
在某些点上可能达到了互联网的容量,于是中间路由器开始丢弃分组。这就通知发送方它的拥塞窗口开得过大。
成块数据的吞吐量
通常发送一个分组的时间取决于两个因素:传播时延(由光的有限速率、传输设备的等待时间等引起)和一个取决于媒体速率(即媒体每秒可传输的比特数)的发送时延。对于一个给定的两个接点之间的通路,传播时延一般是固定的,而发送时延则取决于分组的大小。在速率较慢的情况下发送时延起主要作用,而在千兆比特速率下传播时延则占主要地位。
带宽时延乘积
计算通道的容量为:
$$
capacity(bit) = bandwidth(b/s) × round-trip time(s)
$$
一般称之为带宽时延乘积。这个值依赖于网络速度和两端的RTT,可以有很大的变动。不论是带宽还是时延均会影响发送方和接收方之间通路的容量。拥塞
当数据到达一个大的管道(如一个快速局域网)并向一个较小的管道(如一个较慢的广域网)发送时便会发生拥塞。当多个输入流到达一个路由器,而路由器的输出流小于这些输入流的总和时也会发生拥塞。
紧急方式
TCP提供了“紧急方式 ( urgent mode)”,它使一端可以告诉另一端有些具有某种方式的“紧急数据”已经放置在普通的数据流中。另一端被通知这个紧急数据已被放置在普通数据流中,由接收方决定如何处理。
可以通过设置TCP首部中的两个字段来发出这种从一端到另一端的紧急数据已经被放置在数据流中的通知。URG比特被置1,并且一个16bit的紧急指针被置为一个正的偏移量,该偏移量必须与TCP首部中的序号字段相加,以便得出紧急数据的最后一个字节的序号。
TCP必须通知接收进程,何时已接收到一个紧急数据指针以及何时某个紧急数据指针还不在此连接上,或者紧急指针是否在数据流中向前移动。接着接收进程可以读取数据流,并必须能够被告知何时碰到了紧急数据指针。只要从接收方当前读取位置到紧急数据指针之间有数据存在,就认为应用程序处于“紧急方式”。在紧急指针通过之后,应用程序便转回到正常方式。
TCP本身对紧急数据知之甚少。没有办法指明紧急数据从数据流的何处开始。TCP通过连接传送的唯一信息就是紧急方式已经开始(TCP首部中的URG比特)和指向紧急数据最后一个字节的指针。其他的事情留给应用程序去处理。
不幸的是,许多实现不正确地称TCP的紧急方式为带外数据 (out-of-band data)。如果一个应用程序确实需要一个独立的带外信道,第二个TCP连接是达到这个目的的最简单的方法(许多运输层确实提供许多人认为的那种真正的带外数据:使用同一个连接的独立的逻辑数据通道作为正常的数据通道。这是TCP所没有提供的)。