滑动窗口
# 滑动窗口
>i 之前学习了PAR方式的TCP超时和重传，其实在考虑发送方发送数据报的同时，也应该考虑接收方对于数据的处理能力，由此引出本次学习的主题 -- 滑动窗口
## 发送端窗口
滑动窗口按照传输数据方向分为两种，发送端窗口和接收端窗口；下面先看一下发送端窗口👇：
<image src="https://oscimg.oschina.net/oscnet/up-13e77c53892b884d334614e4fa9550a1113.png">
上图分为四个部分：
1. 已发送并收到 Ack 确认的数据:1-31 字节
2. 已发送未收到 Ack 确认的数据:32-45 字节
3. 未发送但总大小在接收方处理范围内:46-51 字节
4. 未发送但总大小超出接收方处理范围:52-字节
### 可用窗口和发送窗口
<image src="https://oscimg.oschina.net/oscnet/up-b8bb072922232fe6d62aec3520647d869fe.png">
如上图这里可以引出两个概念：「可用窗口」和「发送窗口」
>s 【 **可用窗口** 】： 就是上图中的第三部分，属于还未发送，但是在接收端可以处理范围内的部分；
> 【 **发送窗口** 】： 就是发送端可以发送的最大报文大小，如上图中的第二部分+第三部分合成发送窗口；
### 可用窗口耗尽
<image src="https://oscimg.oschina.net/oscnet/up-333b88e14f6fd5833fd92a9ab45894e60dd.png">
可用窗口会在一个短暂的停留，当处于未发送并且接受端可以接受范围内的数据传输完成之后，可用窗口耗尽；
当然上面仅仅说的一瞬时的状态，这个状态下，已经发送的报文段还没有确认，并且发送窗口大小没有发生变化，此时发送窗口达到最大状态；
### 窗口移动
<image src="https://oscimg.oschina.net/oscnet/up-4436cdb5c6720e3e4a262ec1cad64660a77.png">
如果在发送窗口中已经发送的报文段已经得到接受端确认之后，那部分数据就会被移除发送窗口，在发送窗口大小不发生变化的情况下，发送窗口向右➡️移动5个字节，因为左边已经发送的5个字节得到确认之后，被移除发送窗口；
### 可用窗口如何计算
<image src="https://oscimg.oschina.net/oscnet/up-76f97fc92f6940c7197ff9fcad3c187fd98.png">
再次引出三个概念：
- SND.WND
>i SND 指的是发送端，WND指的是window，也就是发送端窗口的意思
- SND.UNA
>i UNA 就是un ACK的意思，指的是已经发送但是没有没有确认 它指向窗口的第一个字节处
- SND.NXT
>i NXT 是next的位置，是发送方接下来要发送的位置，它指向可用窗口的第一个字节处
**那就很容易得出可用窗口的大小了，计算公式如下：**
>i Usable Window Size = SND.UNA + SND.WND - SND.NXT
## 接收端窗口
上面介绍了发送端窗口的一些概念，下面👇是接收端窗口的学习：
<image src="https://oscimg.oschina.net/oscnet/up-0313775eaecc790ad26b44c3daa17ced593.png">
1. 已经接收并且已经确认 :28-31 字节
2. 还未接收并且接收端可以接受:32-51 字节
3. 还未接收并且超出接收处理能力:51-57 字节
这里引出两个概念：
- RCV.WND
>i RCV是接收端的意思，WND是接受端窗口的大小
- RCV.NXT
>i NXT表示的是接受端接收窗口的开始位置，也就是接收方接下来处理的第一个字节；
RCV.WND的大小接受端的内存以及缓冲区大小有关，在某种意义上说，接受端的窗口大小和发送端大小大致相同；
接受端可接收的数据能力可以通过TCP首部的Window字段设置，但是接受端的处理能力是可能随时变化的，所以接受端和服务端的窗口大小大致是一样的；
## 流量控制
下面👇根据一个例子来阐述流量控制，模拟一个GET请求，客户端向服务端请求一个260字节的文件，大致流程如下，比较繁琐：
<image src="https://oscimg.oschina.net/oscnet/up-08e7b2cd9ee3ddaa44bca900a1824e08b09.png" width=900 height=480>
>s 这里假设MSS和窗口的大小不发生变化，同时客户端和发送端状态如下：
【 客户端 】： 发送窗口默认360字节 接收窗口设定200字节
【 服务端 】： 发送窗口设定200字节 接收窗口设定360字节
Step1： 客户端发送140字节的数据到服务端
>i 【客户端】发送140字节，【SND.NXT】从1->141
>w 【服务端】状态不变，等待接收客户端传输的140字节
Step2: 服务端接收140字节，发送80字节响应以及ACK
>i 【 客户端 】发送140字节之后等待【 服务端 】的ACK
>w【 服务端 】可用窗口右移，【RCV.NXT】从1->141
【 服务端 】发送80字节数据，【SND.NXT】从241->321
Step3: 客户端接收响应ACK，并且发送ACK
>i 【 客户端 】发出的140字节得到确认，【SND.UNA】右移140字节
【 客户端 】接收80字节数据，【RCV.NXT】右移80字节，从241->321
Step4: 服务端发送一个280字节的文件，但是280字节超出了客户端的接收窗口，所以客户端分成两部分传输，先传输120字节；
>w 【 服务端 】发送120字节，【SND.NXT】向右移动120字节，从321->441
Step5: 客户端接收文件第一部分，并发送ACK
>i 【 客户端 】接收120字节，【RCV.NXT】从321->441
Step6：服务端接收到第二步80字节的ACK
>w [ 服务器 ] 80字节得到ACK 【SND.UNA】从241->321
Step7: 服务端接收到第4步的确认
>w 【 服务端 】之前发送文件第一部分的120字节得到确认，【SND.UNA】右移动120，从321->441
Step8: 服务端发送文件第二部分的160字节
>w 【 服务端 】： 发送160字节，【SND.NXT】向右移动160字节，从441->601
Step9: 客户端接收到文件第二部分160字节，同时发送ACK
>i 【 客户端 】接收160字节，【RCV.NXT】向右移动160字节，从441->601
Step10: 服务端收到文件第二部分的ACK
>w 【 服务端 】发送的160字节得到确认，【SND.UNA】向右一定160字节，从441->601；至此客户端收到服务端发送的完整的文件；
上面通过表格列举服务端和客户端每个状态在每个步骤的状态，如果不是很好理解，可以看如下示意图辅助理解：
### 客户端交互流程
<image src="https://oscimg.oschina.net/oscnet/up-6ee487f0677efac1a822207f45fc0a2b842.png" width=500 >
### 服务端交互流程
<image src="https://oscimg.oschina.net/oscnet/up-4a0095fb6e7a82a708e4df96dfdacd956aa.png" width="500">
上面👆是模拟一个GET请求，服务端发送一个280字节的文件给到客户端，客户端的接收窗口是200字节场景加，客户端和服务端的数据传输与交互流程，通过这个流程来学习滑动窗口的移动状态和流量控制的大致流程；
## 滑动窗口与操作系统缓冲区
上面👆讲述的时候，都是假设窗口大小是不变的，而实际上，发送端和接受端的滑动窗口的字节数都吃存储在操作系统缓冲区的，操作系统的缓冲区受操作系统控制，当应用进程增加是，每个进程分配的内存减少，缓冲区减少，分配给每个连接的窗口就会压缩。**<font color="red">而且滑动窗口的大小也受应用进程读取缓冲区数据速度有关</font>**；
<image src="https://oscimg.oschina.net/oscnet/up-3839118daafc840e059fa6f82d283bef7a9.png" width="500">
### 应用进程读取缓冲区数据不及时造成窗口收缩
step1: 客户端发送140字节
>i 客户端发送到140字节之后，可用窗口收缩到220字节，发送窗口不变
Step2: 服务端接收140字节 但是应用进程仅仅读取40字节
>w 服务端应用进程仅仅读取40字节，仍有100字节占用缓冲区大小，导致接受窗口收缩，服务端发送ACK报文时，在首部Window带上接收窗口的大小260
Step3: 客户端收到确认报文之后，发送窗口收缩到260
Step4: 客户端继续发送180字节数据
>i 客户端发送180字节之后，可用窗口变成80字节
Step5: 服务端接收到180字节
>w 假设应用程序仍然不读取这180字节，最终也导致服务端接收窗口再次收缩180字节，仅剩下80字节，在发送确认报文时，设置首部window=80
Step6: 客户端收到80字节的窗口时，调整发送窗口大小为80字节，可用窗口也是80字节
Step7: 客户端仍然发送80字节到服务端，此时可用窗口为空
Step8: 服务端应用进程继续不读区这80字节的缓冲区数据，最终导致服务端接收窗口大小为0，不能再接收任何数据，同时发送ACK报文；
Step9：客户端收到确认报文之后，调整发送窗口大小为0，这个状态叫做「 **窗口关闭** 」
### 窗口收缩导致的丢包
<image src="https://oscimg.oschina.net/oscnet/up-174e19d4d8de9757707034b8271cb3c69a7.png" width="530">
Step1：客户端服务端开始的窗口大小都是360字节，客户端发送140字节数据
>i 客户端发送140字节之后，可用窗口变成220字节
Step2：服务端应用进程骤增，进程缓存区平均分配，造成服务端接收窗口减少，从360变成240字节；
>w 假设接收了140字节之后，应用进程没有读取，那个可用窗口进一步压缩，变成100字节；
Step3：假设同一个连接在没有收到服务端确认之后，又发送了180个字节的数据（Retramission）
>i 先发送了140字节，后发送了180字节，都没有得到确认，客户端可用窗口大小变成40字节
Step4：服务端收到上面👆第三步发送的180字节的数据，但是接受窗口的大小只有100字节，所以不能接收
>w 服务端拒绝接收180字节
Step5：此时客户端才收到之前140字节的确认报文，才知道接收窗口发生了变化
>i 客户端由于没有收到180字节的确认，加入客户端正在准备发送180字节数据，得到接受端的窗口大小是100字节之后，须强制将右侧窗口向左收缩80字节；
## 窗口关闭
这个例子和上面的例子都发生了「 **<font color="red">窗口关闭</font>** 」
>s 窗口关闭： 发送端的发送窗口变成0的状态；
上面讲的两种情况一般不会发生的，因为操作系统不会既收缩窗口，同时减少连接缓存；而是一般先使用窗口收缩策略，之后在压缩缓冲区的方式来规避以上问题；
发生窗口关闭之后，发送端不会被动的等待服务端的通知，而是会采用定时嗅探的方式去查看服务端接收窗口是否开放；
## Linux中对TCP缓冲区的调整方式
- net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 6291456
> 读缓存最小值、默认值、最大值，单位字节，覆盖 net.core.rmem_max
- net.ipv4.tcp_wmem = 4096 16384 4194304
>写缓存最小值、默认值、最大值，单位字节，覆盖net.core.wmem_max
- net.ipv4.tcp_mem = 1541646 2055528 3083292
> 系统无内存压力、启动压力模式阀值、最大值，单位为页的数量
- net.ipv4.tcp_moderate_rcvbuf = 1
> 开启自动调整缓存模式