TCP报文、滑动窗口、拥塞窗口解释

部分参考：https://blog.csdn.net/zhangdaisylove/article/details/47294315

源端口号：占2个字节，就是发起方的port

目的端口号：占两个字节，接收方的port

seq：占4个字节，发送方标记自己的segment的序列号，用以各个tcp报文的顺序。

ack：占4个字节，应答号，通常解释为期待接收到下一个序列号的报文，个人理解为这是第一个接收方未接收到的包

4位首部长度：占 4bit，表示tcp头部长度，单位为4个字节。

6位保留位

标志位：分别为URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，

URG表示本包数据有紧急数据，ACK表示本包中ack值有效，PSH表示本包数据需要立即把本包数据从缓存区送出去，

RST表示连接有错误，重置连接，SYN表示建立连接，FIN表示结束连接。

16位窗口大小：表示接受方可以接受对方数据的缓存区大小。

16位校验和：

16位紧急指针：当URG被置位时，该值表示从开始到该值所指字节都是紧急数据。

一：滑动窗口

有时候接受方的缓存区已经满了，这个时候如果继续发送数据，那么接收方就会把数据丢弃掉，这样会白白浪费流量，所以在TCP的ACK中每次都会通知发送方自己可以接受的数据大小，也就是TCP报文中的16位窗口值，如果窗口变成了零以后，那么发送方就会停止发送，一直等到接收方可以接收数据，但是一直等待会出问题，如果其中ACK丢了，就会以为对方还不能接收数据，这个时候发送方可以发送窗口探测包。其中数据为0。

解释：当发送方收到接收方发来应答包后，应答号ack，加上报文中的窗口值减一，就是目前接受方的缓存最大可接受的数据包序列号，如下图ack=4，窗口值为6，那么4+6-1=9,也就是说发送知道目前最大可发送的数据包序号只能到9。

这就是滑动窗口，ack表示了窗口的左边界，ack+wind-1是窗口的右边界，即[ack,ack+win-1]区间，

目前只可以发送seq属于[ack,ack+win-1]区间的tcp数据包。由于ack一直变化，所以[ack,ack+win-1]属于向右滑动。

二：拥塞控制：

拥塞控制的目的避免网络拥塞，同时最大化网络利用率。不能一开始就发送大量数据到网络，以免造成网络拥塞，要对网络进行试探，并实时根据网络状态控制发送量，这就是拥塞控制的目的。这是一种试探网络状态的算法，判断当前网络最大可以一次性发送多少个MSS且不会导致网络拥塞。（MSS是TCP最大段大小，根据MTU计算，MTU为1500，则MTU-IP头-TCP头=1460）。

1. 如何实现：

拥塞控制的实现就是调整两个值：拥塞窗口值（cwnd），拥塞窗口阈值（ssthresh）。拥塞窗口阈值ssthresh是前一次拥塞时cwnd值的一半，建立连接之初，拥塞窗口cwnd=1，阈值ssthresh可以为无限大（因为不知道网络发送流量上限是多少，无法确定，设为一个较大值（ssthresh=65536），进行试探，或者指定其他适当值）。

2. 调整两个值的流程：

1）连接建立之初只发送一个数据包（cwnd=1)，假定当前状态是最差，这样对网络负荷影响最小（避免拥塞）。

2）如果没有出现应答超时或者重复应答（网络没有拥塞，那么继续加大流量(最大化网络利用率，同时要避免拥塞）

此时当拥塞窗口在其阈值之下时（cwnd<ssthresh)，继续翻倍增长窗口(cwnd=2*cwnd就是翻倍发送量）
如果在阈值之上(cwnd>=ssthresh)，则线性增加窗口值(cwnd=cwnd+1)。

进入2）；如果出现拥塞则进入3）。

3）出现应答超时或者重复应答（网络已拥塞,探测到拥塞值），如果

如果应答超时，将拥塞窗口阈值变为超时时的拥塞窗口的值的1/2（ssthresh=cwnd/2)，将拥塞窗口值变为1(cwnd=1)，并（网络状况很差，避免拥塞，立即将窗口设为0）
如果重复应答，将拥塞窗口阈值变为重复应答时拥塞窗口值的1/2(ssthresh=cwnd/2)，然将拥塞窗口值变为阈值并加3(cwnd=ssthresh+3)，然后。（网络状况有点差，但是没有很差，窗口缩半)

进入2）。

解释：这是发送方主机主动控制的值，是为发送方的TCP建立的一个受网络状况而定的窗口。每次发送数据时都会根据拥塞窗口和滑动窗口（对方ack应答包中的16位窗口大小）大小对比，选取值小的那一个作为数据包的长度值。

拥塞控制是最大化网络利用率，流量大小随网络状态动态调整。开始值要小但是要快速增加（指数增加），当到达阈值时流量增速要放缓（线性增加）以免很快又造成网络拥塞，另外由于第一次建立连接ssthresh的值较大，一般第一次只会出现进翻倍发送。典型图如下所示：

总结：拥塞窗口阈值总是变为发生拥塞时的1/2（ssthresh=cwnd/2),拥塞窗口值在应答超时时变为0，在重复应答时变为当前值1/2后再加3（即新阈值加3）。

三、拥塞窗口和滑动窗口

拥塞窗口也可以决定出一个最大的发送序列号，滑动窗口也可以，需要二者取其小。另外拥塞窗口是发送方主动感知网络状态，进而决定的发送数据的流量，而滑动窗口是接收方告知发送方的。

四、其他

3：超时控制，窗口控制，流量控制，拥塞控制对比

1）超时控制，只是在每一个数据都要确定收到 ACK，没有收到ACK超过时间限定就会重发。

2）窗口控制，会对持续收到的同一个ACK三次以后重发数据，并且如果长时间没有收到ACK，那么也会重发数据。

3）流量控制，就是确认接收方是否有足够缓存接受数据，否则一个劲发会浪费网络流量。

4）拥塞控制，这个是试探网络是否可以接受目前的数据发送大小。

5）网络和主机缓存一起决定着数据发送数据的大小。

4：延迟应答

有时候没必要对每个数据都立刻发送ACK，可以稍微等待下一个数据也收到了，然后发送ACK，或者等待时间过长也发送ACK。

5：捎带应答：

就是把应答放在其他的数据包中一起发送过去。

6：半关闭：

TCP 的 shutdown() 可以停留在一个只接收数据，而不写数据的状态中，这个时候状态称为半关闭。

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