运输层：TCP 流量控制

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目录

• 流量控制
• 接收窗口
  • rwnd 计算
  • 流量控制实现
• 死锁
• 发送时机
  • 发送机制
  • Nagle算法
• 糊涂窗口综合症
• 参考资料

流量控制

TCP 连接的每一侧主机都为连接设置了接收缓存，当 TCP 连接收到正确、按序的字节以后，就会将数据存入缓存。在实际情况下，接收方应用可能会忙于其他事务，因此无法及时读取缓存中的数据。若主机上某应用读取数据时相对较慢，而发送方发送的报文段太多、太快，发送的数据就很可能使连接的接收缓存溢出。

接收窗口

TCP 为应用程序提供了流量控制服务，以此消除发送方使接收方接收缓存溢出的可能性。因此流量控制是一个速度匹配服务，发送方的发送速率应当尽可能接收方应用程序的读取速率相匹配。TCP 通过让发送方维护一个接收窗口(rwnd)的变量，用于指示接收方还有多少可用的缓存空间。

rwnd 计算

rwnd 是一个动态数值，假设主机 A 向主机 B 发送一个大文件，定义以下 3 个变量：

• RcvBuffer：主机 B 接收缓存的大小；
• LastByteRead：主机 B 上的应用进程从缓存中读出的数据流的最后一个字节编号；
• LastByteRcvd：从网络中到达并已经放入主机 B 接收缓存中的数据流的最后一个字节编号。

由于 TCP 不允许出现接收缓存溢出，因此下列式子必须成立：

因此接收窗口 rwnd 的数值，可以使用上述式子推出：

流量控制实现

主机 B 通过把当前 rwnd 值放入主机 A 报文段接收窗口字段中，通知主机 A 在该链接缓存中还有多少可用空间，rwnd 初始值为 RcvBuffer。主机 A 需要跟踪以下 2 个变量：

• LastByteSent：主机 A 已发送的字节数；
• LastByteAcked：主机 A 收到的 ACK 中主机 B 已确认的报文段对应的字节数。

这 2 个变量作差就是主机 A 已发送但是未被确认的数据量，因此可以退出主机 A 需要保持：

死锁

B 向 A 发送了 rwnd = 0 的报文段后不久，B 的接收缓存又有了一些存储空间，于是 B 向 A 发送了 rwnd = 400 的报文段。但这个报文段在传送过程中丢失了，A 一直等待收到 B 发送的非零窗口的通知，而 B 也一直等待 A 发送的数据。如果没有其他措施，这种互相等待的局面将一直延续下去，这种情况称之为死锁。
为了解决这个问题，TCP 为每一个连接设有一个持续计时器 (persistence timer)，只要 TCP 连接的一方收到对方的零窗口通知，就启动该持续计时器。若持续计时器设置的时间到期，就发送一个零窗口探测报文段（仅携带 1 字节的数据），而对方就在确认这个探测报文段时给出了现在的窗口值。若窗口仍然是零，则收到这个报文段的一方就重新设置持续计时器。若窗口不是零，则死锁的僵局就可以打破了。

发送时机

发送机制

发送方获取 rwnd 之后，就需要选择合适的发送时机。可以用不同的机制来控制 TCP 报文段的发送时机:

1. TCP 维持一个等于最大报文段长度 MSS 的变量，只要缓存中存放的数据达到 MSS 字节时，就组装成一个 TCP 报文段发送出去。
2. 由发送方的应用进程指明要求发送报文段，即 TCP 支持的推送 (push)操作。
3. 发送方的一个计时器期限到了，这时就把当前已有的缓存数据装入报文段（但长度不能超过 MSS）发送出去。

尽管已经有一些方案，但是如何控制 TCP 发送报文段的时机仍然是一个较为复杂的问题。例如发送方 TCP 每次接收到 1 字节的数据后就发送，每发送 1 个字节需要形成 41 字节长的 IP 数据报。若接收方确认并回送这 1 字节，就需传送总长度为 162 字节共 4 个报文段，当带宽不富裕时效率很低。解决方法为：使用 Nagle 算法。

Nagle算法

若发送应用进程把要发送的数据逐个字节地送到 TCP 的发送缓存，则发送方就把第一个数据字节先发送出去，把后面到达的数据字节都缓存起来。
当发送方收到对第一个数据字符的确认后，再把发送缓存中的所有数据组装成一个报文段发送出去，同时继续对随后到达的数据进行缓存。只有在收到对前一个报文段的确认后，才继续发送下一个报文段。当到达的数据已达到发送窗口大小的一半，或已达到报文段的最大长度时，就立即发送一个报文段。

糊涂窗口综合症

当接收方的 TCP 缓冲区已满，接收方会向发送方发送窗口大小为 0 的报文。若此时接收方的应用进程以交互方式每次只读取 1 个字节，接收方又发送窗口大小为 1 个字节的更新报文。发送方应邀发送 1 个字节的数据（发送的 IP 数据报是 41 字节长），于是接收窗口又满了，如此循环往复使得网络效率很低。
解决方法为，让接收方等待一段时间，使接收缓存已有足够空间容纳一个最长的报文段，或者等到接收缓存已有一半空闲的空间。只要出现这两种情况之一，接收方就发出确认报文，并向发送方通知当前的窗口大小。

参考资料

《计算机网络(第七版)》 谢希仁 著，电子工业出版社
《计算机网络 自顶向下方法》 [美] James F.Kurose,Keith W.Ross 著，陈鸣 译，机械工业出版社