滑动窗口、流量控制和拥塞控制

1. 确认应答机制

确认应答机制是计算机网络中，用于确保数据可靠传输的一种方法。

它通过发送 ACK 数据段来通知对方，每一个 ACK 数据段都有一个确认序号，表明：

确认序号之前的所有数据都已被接收，接下来从确认序号开始发送数据。

如果对每一个发送的数据段，都要给一个 ACK 确认应答，收到 ACK 后再继续发送新的数据，就会带来一个缺点：
性能差，尤其是 RTT （数据往返时间）很大的时候。

2. 滑动窗口

既然发送一条数据，接收一个 ACK 后，再发新数据的方式效率太低。那么，一次性发送多条数据，就可以大大提升性能。

• 拥塞窗口（cwnd）：发送方 在没有收到 ACK 的情况下，最大可发送数据量。

• 接收窗口（rwnd）：接收方 接收缓冲区，剩余空间的大小。

• 滑动窗口大小 = min(拥塞窗口大小, 接收窗口大小)

上图中，主机1 一次性发送 3 个数据段，收到第 1 个 ACK 后窗口向右移动，发送第 4 个数据段。

• 滑动窗口左边的数据：已经被发送，且已经收到来自接收方的 ACK 数据段。
• 滑动窗口右边的数据：尚未被发送到接收方的数据。
• 滑动窗口中的数据：已经被发送，但还未收到来自接收方的 ACK，处于 待确认 状态。

​ 如果这部分数据在网络传输中丢失或损坏，发送方可以根据超时机制或其他方式检测到，并重新发送这部分数据；

​ 当发送方接收到对滑动窗口中的数据确认后，窗口右移，被确认的数据被移除窗口，新的、未被发送的数据进入窗口。

3. 丢包重传

3.1 数据段顺利到达，但 ACK 丢失

确认序号：确认序号（Ack = x）之前的所有数据，都已经被收到。

这种情况下，部分的 ACK 包丢失无影响，可以通过后面的 ACK 包确认数据已顺利到达。

3.2 数据段丢失

主机1 发送的 data (Seq = x+2)丢失，主机2 无法对这一数据段做确认应答，因此 ACK 包的确认序号始终为 x+2 ；

主机1 连续收到三个相同确认序号的应答后，就会触发 快重传 机制，对 data (Seq = x+2) 进行重新发送；

主机2 收到 data (Seq = x+2) 后，发送应答的确认序号为 x + 4，因为 data (Seq = x+3) 和 data (Seq = x+4) 之前已经被收到，并被放入了系统内核的接收缓冲区中。

4. 流量控制

流量控制是一种机制，根据接收方接收数据的能力，管理发送方发送数据的速率。

接收方将接收缓冲区的剩余容量，放入 TCP 头部的 16位窗口大小 中，通过 ACK 数据段通知发送方；

发送方会根据窗口大小的值，调整发送数据的速度。

• 接收缓冲区的剩余空间变小，发送速率减慢。

• 接收缓冲区的剩余空间变大，发送速率加快。

• 接收缓冲区满了，会将窗口大小设置为 0，此时发送方不再发送数据；

  发送方定期发送一个窗口探测数据段（只包含报头），得到接收方接收缓冲区剩余空间大小。

5. 拥塞控制

TCP 拥塞控制的主要目的是，防止过多的数据被注入网络，导致网络拥塞，从而保证数据段高效、可靠的传输。

拥塞控制的两个主要阶段：

• 慢启动阶段
• 拥塞避免阶段

5.1 慢启动阶段

慢启动的目的：在连接初始阶段，避免一次性发送过多数据，导致网络突然拥塞。

cwnd（拥塞窗口） 被初始化为 1 MSS（最大报文段长度）；

ssthresh（慢启动阈值）被初始化某一个预设值（如接收方窗口大小）。

在慢启动阶段，发送方每接收到一个 ACK，cwnd 就增加 1 MSS。这种方式导致 cwnd 呈指数增长，因为 cwnd 在每一个数据往返时间（RTT）内翻倍。

通过指数增长，TCP 可以迅速发现和利用网络的可用带宽。

当 cwnd 达到慢启动阈值（ssthresh），进入拥塞避免阶段。

5.2 拥塞避免阶段

拥塞避免的目的：避免慢启动之后，继续指数增长导致网络拥塞。

cwnd 以线性的方式增长，每经过一个 RTT，增加 1 MSS。

当检测到网络拥塞时，进入快恢复阶段：

• ssthresh = cwnd / 2; // 设置新的慢启动阈值
• cwnd = 1;