TCP滑动窗口模拟实战

1.TCP滑动窗口机制

客户端与服务端之间的通信是一个数据传输的过程，消息以数据包形式进行传输。

在传输的过程中，通过滑动窗口机制来同时传输多个数据包；发送端根据接收端的处理能力，适当控制发送窗口大小，实现流量控制。

1.1 数据包单独发送

在数据包较大的情况下，需要将大的数据包拆分成多个小的数据包进行传输。

接收端确认接收到一个数据包之后，发送端才能发送下一个数据包。整个过程如下图所示：

很明显，这种方式方式的数据传输效率非常低，发送端只有等到接收端确认收到之后才能发送下一个数据包。

为了改进这种情况，引入了窗口的概念。

1.2 数据包窗口批量发送

窗口大小是指：不需要等待确认包而可以继续发送的数据包的最大值

在以下的示例中，我们假定窗口大小为3。整个过程如下所示：

从上图中可知：发送端在发送1-1000数据包之后，并没有等待接收端返回确认包，就开始发送1001-2000和2001-3000数据包。

通过这种方式，就可以省去多个数据包的数据传输时间。

1.3 数据包窗口流量控制

在使用窗口批量发送时，发送方需要根据接收方的处理能力在实时调整发送窗口大小。

当接收方没有多余空间再接收数据时，发送方调整窗口大小为0（如果发送方不调整，则接收方则会丢弃到接收到的数据包），依此来实现TCP流量控制。

我们假定接收方窗口大小默认为5，在传输的过程中，窗口大小有调整，整个过程如下：

在接收端窗口调整后，发送方则最多一次只能发送窗口大小的数据。

通过一组图来展示下整个窗口滑动过程：

在三次握手之后，发送端了解到接收端窗口大小为5。

第一次发送数据为3000个字节

接收端接收到3000个字节后，返回ACK确认收到。

此时由于某些原因调整窗口大小为3

发送端接收到第一次ACK后，窗口向前滑动，开始发送4000 5000两个数据包

发送端接收到调整后的窗口大小后，滑动窗口大小调整为3

接收端确认接收到4000 5000两个数据包，接收窗口此时又调整为5

同样，发送端接收到ACK包后，窗口前移，开始发送6000 7000两个数据包

总结：通过一组图来展示下发送端与接收端整个处理过程。

发送端的可发送窗口大小即为接收端可用窗口大小

2.wireshark抓包窗口变化过程

笔者通过一个示例，来展示下接收端的窗口变化。

正常情况下，接收方在接收到请求数据包之后，立即处理掉，那么可接收窗口大小就又恢复到原来大小。

笔者在这里为了模拟窗口变化，使接收方在接收到请求数据包之后，不再处理，此时发送方依旧每秒发送10KB数据。

代码及抓包结果如下

2.1 发送方及接收方代码

2.1.1 发送方代码

public class ClientTest {public static void main(String[] args) throws Exception {byte[] one_kb = new byte[10 * 1024];byte a = 'a';Arrays.fill(one_kb, a);Socket client = new Socket("127.0.0.1", 10000);OutputStream outputStream = client.getOutputStream();for (int i = 0; i < 1000; i++) {try {outputStream.write(one_kb);outputStream.flush();Thread.sleep(1000);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}
}

2.1.2 接收方代码

public class SocketTest {public static void main(String[] args) throws Exception {ServerSocket server = new ServerSocket(10000, 5);int acceptCount = 0;while (true) {Socket client = server.accept();System.out.println("new connection has connected, num=" + acceptCount++);// 连接成功后，不处理该连接的任何请求}}
}

2.2 wireshark抓包

2.2.1 三次握手

发送方与接收方在三次握手时交换窗口大小

接收方Win=65535 发送方Win=2619648

2.2.2 数据发送过程中的窗口变化

第一次发送后 133行，接收方返回窗口大小为2609408，该窗口大小为（初始窗口大小[2619648]-接收数据大小[10240]=2609408）

同理，第一次发送后 152行，接收方返回窗口大小为，该窗口大小为2599168（上次窗口大小[2609408]-接收数据大小[10240]=2599168）

同理，第一次发送后 154行，接收方返回窗口大小为2609408，该窗口大小为（初始窗口大小[2599168]-接收数据大小[10240]=2588928）

2.2.3 最终接收方消耗完所有的窗口缓存

最终，接收方Win=0 （1322行），此时发送方再发送任何数据都无法被接收。

而且，此时发送方的发送窗口大小也等于0，此时便不再发送数据。

参考：

TCP滑动窗口机制深度剖析

Linux-TCP之深刻浅出send和recv - JavaShuo