TCP/IP 协议中的滑动窗口

时间:2021-06-11 19:14:28

一个例子明白发送缓冲区、接受缓冲区、滑动窗口协议之间的关系。 
在上面的几篇文章中简单介绍了上述几个概念在TCP网络编程中的关系,也对应了几个基本socket系统调用的几个行为,这里再列举一个例子,由于对于每一个TCP的SOCKET来说,都有一个发送缓冲区和接受缓冲区与之对应,所以这里只做单方向jiāo流,不做互动,在recv端不send,在send端不recv。细细揣摩其中的含义。 
一、recv端 
在监听套接字上准备accept,在accept结束以后不做什么操作,直接sleep很久,也就是在recv端并不做接受数据的操作,在sleep结束之后再recv数据。 
二、send端 
通过查看本系统内核默认的支持的最大发送缓冲区大小,cat/proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem,最后一个参数为发送缓冲区的最大大小。接受缓冲区最大的配置文件在tcp_rmen中。 
将套接字设置为阻塞,一次发送的buffer大于最大发送缓冲区所能容纳的数据量,一次send结束,在发送返回后接着答应发送的数据长度 
测试结果: 
阶段一: 
         接受端表现:在刚开始发送数据时,接收端chǔ于慢启动状态,滑动窗口大小越来愈大,但是由于接收端不chǔ理接受缓冲区内的数据,其滑动窗口越来越小(因为接受端回应发送端中的win大小表示接受端还能够接受多少数据,发送端下次发送的数据大小不能超过回应中win的大小),最后发送端回应给接受端的ACK中显示的win大小为0,表示接收端不能够再接受数据。 
发送端表现:发送端一直不能返回,如果接受端一直回应win为0的情况下,发送端的send就会一直不能返回,这种僵局一直持续到接收端的sleep结束。 
原因分析:首先需要明白几个事实,阻塞式I/O会一直等待,直达这个操作完成;发送端接受到接收端的回应后才能将发送缓冲区中的数据进行清空。 
在接收端不recv,那么接收端的接受缓冲区内会一直有数据,接受缓冲区满,导致滑动窗口为0,导致发送端不能发送数据。但是send操作为何不能反悔呢?send操作只是将应用缓冲区的数据拷贝到发送缓冲区,但是发送缓冲区的数据并没有完全得到接收端的ACK回应,所以暂时不能将发送缓冲区中的数据丢弃,导致发送缓冲区的被填满,这样应用层中的数据也就不能拷贝到内核发送缓冲区内,也就会一直阻塞在这里,直到可以继续讲应用层的数据拷贝到发送缓冲区中,何时触发这个操作呢?等到发送端回应win大于0时才有这样的操作。 
阶段二; 
         接受端:在sleep结束以后,开始调用recv系统调用。这个时候接受端的滑动窗口又开始大于零。那么这样就唤醒了发送端继续发送数据。 
         发送端:发送端接受到接收端win大于0的回应,这个时候发送端又可以将应用层buffer中的数据拷贝到内核的发送缓冲区中。 
原因分析:由于接受端调用recv将内核接受缓冲区的数据拷贝到应用层中,这样滑动窗口又大于0了所以激发了发送端继续发送数据,由于发送端可以发送数据了,内核协议栈便将发送缓冲区中的数据发送给接受端,这样发送缓冲区又有空间了,那么send操作就可以将应用层的数据拷贝到发送缓冲区了!这样的操作一直保持到send操作返回,这样代表着将应用层的数据全部拷贝到发送缓冲区内,但不代表将数据发送给对端。发送给对端成功的标志是接受到对端的ACK回应,这个时候发送端才可以将发送缓冲区的数据丢弃。不丢弃的原因是时刻准备重发丢失/出错的数据! 
Ps: TCP通信为了保证可靠xìng,每次发送的数据都需要得到对方的ACK才确认对方收到了(仅保证对方TCP接收缓冲收到 数据了,但不保证对方应用程序取到数据了),这时如果每次发送一次就要停下来等着对方的ACK消息,显然是一种极大的资源浪费和低下的效率,这时就有了滑动窗口的出现。
发送方的滑动窗口维持着当前发送的帧序号,已发出去帧的计时器,接收方当前的窗口大小(由接收方ACK通知,大体等于接收缓冲大小-未chǔ理的消息包),接收方滑动窗口保存的有已接收的帧信息、期待的下一帧的帧号等,至于滑动窗口的具体工作原理这里就不说了。
   一 个socket有两个滑动窗口(一个sendbuf、一个recvbuf),两个窗口的大小是通过setsockopt函数设置的,现在问题就出在这里, 通过抓包显示,设置的窗口大小没有生效,最后排查发现setsockopt函数是后来加上的,写到了listen函数的后面,这样每次accept出的 socket并没有继承得到主socket设置的窗口大小,无语啊……
   解决办法:setsockopt函数提前到listen函数之前,这样在服务器程序启动监听前recvbuf就已经有了,accept后的链接得到的就是recvbuf了,启动程序运行,抓包显示窗口已经是指定的大小了。 
一、TCP的滑动窗口大小实际上就是socket的接收缓冲区大小的字节数 
  
二、 对于server端的socket一定要在listen之前设置缓冲区大小,因为,accept时新产生的socket会继承监听socket的缓冲区大 小。对于client端的socket一定要在connet之前设置缓冲区大小,因为connet时需要进行三次握手过程,会通知对方自己的窗口大小。在 connet之后再设置缓冲区,已经没有什么意义。 
  
三、由于缓冲区大小在TCP头部只有16位来表示,所以它的最大值是65536,但是对于一些情况来说需要使用更大的滑动窗口,这时候就要使用扩展的滑动窗口,如光纤高速通信网络,或者是卫星长连接网络,需要窗口尽可能的大。这时会使用扩展的32位的滑动窗口大小。