TCP/IP协议（五、tcp滑动窗口）
终于来到了TCP的滑动窗口，本来计算第二节就讲滑动窗口，但是每次都是计划赶不上变化，一推再推，所以来到了第5节，不过也不晚，趁早搞懂TCP/IP还是很有用的。
5.1 延时ACK
TCP的一个重点知识点延时ACK，但是还是从交互式通信讲起。
5.1.1 交互式通信
"交互式"TCP连接是指，该连接需要在客户端和服务器之间传输用户输入信息，如按键操作、短消息、操作杆或鼠标的动作等。这些包都是比较小的包，如果没一个很小的包都要组成一个报文来传输，那么传输协议需要耗费很高的代价，因为每个交换分组中包含的有效负载字节较少。反之，报文段较大怎会引入更大的延时。对延迟敏感类应用（如在线游戏，协同工具等）造成负面影响。因此需要找到一个折中的方法、
交互式通信其实比较简单，就是客户端获取用户输入信息，然后将其传给服务器。服务器对命令进行解析并生成相应返回给客户端。有点像一请求一应答模式。
但是让我也奇怪的是，每个交互按键通常都会生成一个单独的数据包。也就是说，每个按键都是独立传输的（每次一个字符而非每次一行，说实话，我不是看到TCP详解中说，我也很纳闷，这么会这样设计）。
像我们平时使用的ssh和服务器通信的话，服务器需要对输入字符做出回显。所以这个过程应该是这样子的：如果将数据字节确认和数据字节回显合并的话，会不会高效一点，这种方法就是我们下面说的延时确认。
5.1.2 延时确认
在许多情况下，TCP并不对每个到来的数据包都返回ACK，利用TCP的累积ACK字段（这个我也不是很清楚，清楚的可以在下面留言）就能实现这个功能。累积确认可以允许TCP延迟一段时间发送ACK，以便将ACK和相同方向上需要传的数据结合发送。TCP实现ACK延时的时延应小于500ms。实践中时延最大取200ms.
采用延时ACK的方法会减少ACK传输的数目，可以一定程度地减轻网络负载。
用法： 通常TCP在某些情况下使用延时ACK的方法，但时延不会很长。 在大数据包传输中只要采用的是拥塞控制和延时ACK。 在小数据包传输中，如交互式应用，需要采用另外的算法。（就是下面说的Nagle算法）
5.1.3 Nagle算法
从前面的讲解可以看出，ssh连接中，通常单次击键就会引发数据流的传输，这些小包的数据量不到，但是需要带上整个TCP/ip头，所以会造成很高的网络传输代价。所以John提出了一种简单有效的解决方法，现在成其为Nagle算法。下面讲解一下这个算法的含义；
当一个TCP连接中有在传数据（即那些已发送但还为经确认的数据），小的报文段（长度小于SMSS）就不能被发送，直到所有的再传数据都收到ACK
在收到ACK之后，TCP需要收集这些小数据，讲起整合到一个报文段中发送。
举个栗子：首先观察禁用Nagle算法的情况：这一个图是从tcp/ip详解中截取出来的，我们先看下面，F1键我是输入了3个字符，在禁用Nagle算法的时候，是每一个字符单独发送，所以我们看到的是3个单独的包，在服务器回复ack的时候，出现了丢包，客户端没有接受到ack2,服务器会重传一个ack2.客户端就接收到后，就回复了ack6,说明6之前的包都接收好了，这个在滑动窗口有说过。
然后第二个按键也是3个字符，这样就不说了，都是一样的。
通过这个例子我们明显感觉到，小包太多了，这样很浪费网络资源，所以就提出了Nagle算法。
下面我们来看看开启了Nagle算法之后的效果：这就是开启Nagle算法的过程，是不是中间没有小包的存在了，通信也简洁了。
但是这样子会带来一个问题：有没有发现每次发送一个请求报文之后，回复的ACK都是200ms左右，这就是延时ACK决定的，服务器收到了一个请求报文，会开启一个定时器，等待200ms，如果这时候再次接受到客户端的请求，会两个ack做为一个返回，但是犹豫客户端使用的是Nagle算法，他会一直等待ACK才会再次发送请求，这里就会形成一个死锁，不过这个死锁不是一直的，直到延时ack超时之后，就会给客户端发送ack了，客户端就会可以再次发送了，这也是看到图发现一个请求都是等待200ms左右才有回应。
总结：从前面的例子可以看出，在有些情况下并不适用Nagle算法。
典型的包括那些要求时延尽量小的应用，如远程控制中鼠标或按键操作需要及时送达以得到快键的反馈。 还有多人网络游戏，人物的动作需要及时地传送以确保不影响游戏进程。
禁用Nagle算法也简单，可以设置TCP_NODELAY选项即可。
5.2 滑动窗口
TCP是传输控制协议，socket：流式套接字，顺序。 我们应用层都是用socket来接收的，那我们接收的数据怎么保证顺序性呢？ 我们要知道网络中传输各种情况都有可能发生，前一个包选择了一个路由路径，后一个包就可能选择另外的一个路由，可能会导致后面的包比前面的包提前到大。
所以我们接下来说的TCP协议栈中使用滑动窗口这种机制来确保接收数据的顺序性。
5.2.1 发送窗口
TCP连接的每一端斗可收发数据。连接的收发数据量是通过一组窗口结构来维护的。每个TCP活动连接的两端都维护一个发送窗口结构和接收窗口结构。
接下来先看看发送窗口的结构：发送窗口有四个部分，第一个部分已发送并已经确认，就是接收端已经回复了ACK，第二个部分已经发送但未经确认，这一部分可能在传输中，也可能已经被接收了，但是由于没有到延时ack的时间，所以还没确认，第三部分即将发送，将要发送的数据，其中第二部分和第三部分是由接收端通告的窗口称为提供窗口，是接收到3字节之后，回复ack中，顺带了一个6字节大小的窗口，在之前TCP初识的这篇，有介绍过窗口的字段。（因为窗口字节是4字节，最大为65535，所以在选项字节中有一个窗口因子，是扩展了窗口大小的）。最后一部分，是不能发送的，接收端就是依靠这个窗口来控制发送端的速率，就是控制只能发送多少字节，后面的不能发送，等到接收到已经发送但未确定的数据，并返回ACK之后，发送端的窗口才继续往右移。所以这个叫做滑动窗口。
注意：TCP不支持窗口右边界左移。
每个TCP报文段都包含ACK号和窗口通告信息，TCP发送端可以据此调节窗口结构。窗口左边界不能左移，因为它控制的是已确认的ACK号，具有累积性，不能返回。当得到的ACK号增大而窗口大小保持不变时（通常如此）。我们就说窗口向前“滑动”。若随着ACK号增大窗口却减小，则左右边界距离减小。当左右边界相等时，称之为**“零窗口”**。此时发送发送端不能再发送新数据。这种情况下，TCP发送端开始探测（probe）对方窗口，伺机增大提供窗口。
5.2.2 接收窗口
接收端也维护了一个窗口结构，但比发送端窗口简单。接收窗口包含了3个部分，第一部分已接收并确认的数据，第二部分，接收后将会保存的数据，该窗口可以保证其接收数据的正确性，特别是，避免存储重复的已接收和确认数据，也可以避免存储不应该接收的数据（超过发送方右窗口边界的数据）、第三部分就是不能接收的数据。
注意：由于TCP的累积ACK结构，只有当到达数据序列号等于左边界时，数据才不会被丢弃，窗口才能向前滑动。对选择确认TCP来说，使用SACK选项，窗口内的其他报文段也可以被接收确认，但只有在接收到等于左边界的序列号数据时，窗口才能前移。
5.2.3 零窗口与TCP持续计时器
我们在前面了解到，TCP是通过接收端的通告窗口来实现流量控制的。通告窗口指示了接收端可接收的数据量。当窗口值变为0时，可以有效的阻止发送端继续发送，直到窗口大小恢复为非零值。
当接收端重新获得可用空间时，会给发送端传输一个窗口更新，告知发送端可以继续发送数据了，但是这样的窗口更新只是一个纯ACK，没有包含数据，所以如果出现了丢失，就不会发送重传。这样子的话，发送和接收两端都处于等待状态，会形成一个死锁。
为防止这种死锁发生，发送端会采用一个持续计时器间歇性的查询接收端，看其窗口是否已经增长。持续计时器会触发窗口探测的传输，强制要求接受端返回ACK（其中包含窗口信息），随后以指数时间间隔发送。
5.2.4 糊涂窗口综合征
看书看的比较糊涂，所以百度了一下，有一篇写的还可以：TCP-IP详解：糊涂窗口综合症（Silly Window syndrome）
这里就抄抄一下原因：这个问题可以归结为小包的问题，就是由于发送端和接收端上的处理不一致，导致网络上产生很多的小包，之前也介绍过避免网络上产生过多小包的措施，比如Nagle算法。在滑动窗口机制下，如果发送端和接收端速率很不一致，也会产生这种比较犯傻的状态：发送方发送的数据，只要一个大大的头部，携带数据很少。
对于接收端来讲，如果接收很慢，一次接收1个字节或者几个字节，这个时候接收端 缓冲区很快就会被填满，然后窗口通告为0字节，这个时候发送端停止发送，应用程序收上去1个字节后，发出窗口通告为1字节，发送方收到通告之后，发出1个字节的数据，这样周而复始，传输效率会非常低。
同时如果发送端程序一次发送一个字节，虽然窗口足够大，但是发送仍是一个字节一个字节的传输，效率很低
解决方案：接收端：
不应该通告小的窗口值。（在窗口可增至一个全长的报文段MSS或者接收端缓存空间的一遍之前，不能通告比当前窗口更大的窗口）。
延时ACK，和累积ACK。
发送端：
不应该发送小的报文，而且需由nagle算法控制何时发送。
为了避免SWS问题，满足下面的条件才能传输报文段。
全长（发送MSS字节）的报文段可以发送
数据长度≥接收端通告过的最大窗口值的一半，可以发送
某一个ACK不是目前期盼的（需要重发）
禁用Nagle算法
现在的linux内核中的TCP算法是支持窗口自动调优的，以后有空再分析。
作者：善良的小油条
链接：https://juejin.cn/post/7023208734994219045