TCP流量控制中的滑动窗口大小、TCP字段中16位窗口大小、MTU、MSS、缓存区大小有什么关系？

末蓝、 2022-06-13 04:27 367阅读 1赞

MTU： Maximum Transmit Unit ，最大传输单元，即物理接口（数据链路层）提供给其上层（通常是IP层）最大一次传输数据的大小；以普遍使用的以太网接口为例，缺省MTU=1500 Byte，这是以太网接口对IP层的约束，如果IP层有<=1500 byte 需要发送，只需要一个IP包就可以完成发送任务；如果IP层有> 1500 byte 数据需要发送，需要分片才能完成发送，这些分片有一个共同点，即IP Header ID相同。

MSS：Maximum Segment Size ，TCP提交给IP层最大分段大小，不包含TCP Header和 TCP Option，只包含TCP Payload ，MSS是TCP用来限制application层最大的发送字节数。如果底层物理接口MTU= 1500 byte，则 MSS = 1500- 20(IP Header) -20 (TCP Header) = 1460 byte，如果application 有2000 byte发送，需要两个segment才可以完成发送，第一个TCP segment = 1460，第二个TCP segment = 540。

A (MTU 1500) <------Internet ------> (MTU 1492) B

见上图，TCP SYN消息，A 发送给B 的MSS= 1460，告诉B，B发给A最大segment 为1460 byte

TCP SYN消息，B发送给A的MSS= 1452，告诉A，A发给B最大segment 为1452 byte 。

但A最终能一次发给B多大的字节的segment呢？？？ 我们给它取名为：A\_Send\_MSS，取决于两个值，一个是B的通告MSS= 1452；另一个是本地物理接口MTU的限制： 1500-20-20 = 1460。取这两者较小的一个值，则  
A\_Send\_MSS = minimum ( 1452, 1460) = 1452  
  
同理可得   
B\_Send\_MSS = minimum ( 1460，1452）=1452  
  
可以看出这两者最后是相同的，所以可以得到以下结论，通信双方最终的MSS = 双方较小MTU- 40 。  
  
  
  
Socket发送和接收缓冲区大小 ：按照我的理解，socket将TCP实现细节封装成API，Socket虽然不等于TCP，但TCP的 send\_buffer 和 receive\_buffer 应该和socket 等同，用C语言的说法，就是指针相同，用通俗语言来说就是，相同的内存地址段。接收缓冲区receive\_buffer 大小等同于自己通告的window size; 至于send\_buffer 大小会影响application放入发送缓冲区的速率，但是它应该不是瓶颈，所以不再讨论它。  
  
  
TCP Window Size : 如果A发送给B window size = 8192，意思是：B最多可以连续发送8192 byte 给A，在A ACK这8192 byte之前。那A的这个8192byte 怎么来的呢？ 一般来说，8192byte就是A的接收缓区，A\_Receive\_Buffer= 8192，如果B不小心发送超过8192 byte，如果application没有及时取走，则超过8192 byte 数据可能会因为A\_Receive\_Buffer满而被丢弃，所以B会严格遵守A的 advertised window size，如果A通告的window = 0，则B一定不会发送数据。  
  
Window Size 占两个byte，最大值为65535，看完下文你会发现它对对方发送速率影响很大。如果window size 是高速网络带宽的瓶颈，可以采用TCP Option scaling window 这个选项。  
  
  
Persist Timer:  用于周期探测对方advertised window size 是否依然为0的定时器。接上文，如果A通告的window = 0，则B一定不会发送数据。那B会不会一直被动地等下去？大家想象一个这样的场景，如果B一直被动等待，而这时A接收缓冲区已经空了，但是B无法知道，既然A已经告诉我不能再发数据了，那我就乖乖听话不发了；A（女生）不会主动告知B（男生）哈哈，死锁了！  
  
如何破？用 Persist Timer来解锁！ 男生B一旦定时器超时，会发一个 Window Probe 消息给女生A，占一个字节，意思是：Are you ready? Do you still love me? 如果A依然很忙，发 window = 0 给男生B，意思是：本姑娘正忙，没空睬侬！男生B再Restart 自己的定时器，定时器超时再次骚扰女生A，一直会等到A发 window > 0 才结束，本姑娘空闲，欢迎随时来稿。于是男生欣喜若狂，继续发送数据，大段大段的情话…  
  
  
Scaling Window:  位于TCP option里，在TCP SYN时发送scaling window，最大16，即2的16次方；如果对方没有此option，说明对方不支持，我方也要放弃使用。window size 与scaling window 两者相乘即得到TCP 的最大真实 window size = 64K\* 64K= 4.29G bytes，比如我在国内发到美国的TCP流量，如果最大window size 是1 G 字节，一梭子就可以打出1G byte，我的1G的尾部数据还没有发完，我的先锋领头字节已经到达对方，然后对方就选择确认，对方已经刷新window size 了，意味着我方不需要停止等待，可以一直这么发送下去，这是一种提高TCP发送速率的一种高效手段。但使用scaling window 有前提的，适合 高速、长管道、丢包率极小 。  
  
  
TCP建立连接的本质： A和B告知彼此的第一个发送字节的 初始序列号 ，建立连接后对每一个发送的字节都需要以初始序列号为 原点 进行编号，需要对方来 确认 每一个字节编号都已经成功接收，双方初始序列号是由 OS动态生成的，随机的值 ，一般每个TCP session都会有不一样的初始序列号，占四个字节。  
  
  
滑动窗口( Slide Window)： 为了便于描述，假定A和B的初始序列号都为0，A发1024字节的数据给B，B通告给A的window size = 4096。  
  
对于A来说，最初的slide window 左侧是自己的原点，即初始序列号0，右侧就是 A的初始序列号+ B通告给A的 window size= 4096；  
  
IF  
A发出的1024 byte 数据如果没有得到B确认，A的slide window依然是静止的。  
  
Else IF  
A发出的1024 byte 数据如果得到B确认，B通告的 window = 3072，说明数据还在TCP接收缓冲区，application没有取走，则A的slide window左侧向右的方向移动1024，右侧依然静止是4096 ( 1024 + 3072)。  
  
Else IF  
A发出的1024 byte 数据如果得到B确认，B通告的 window = 4096，说明数据被application取走，则A的slide window左侧向右的方向移动1024，右侧移动到5120 ( 1024 + 4096)。  
  
总结一下，A的slide window 左侧是自己发出，并被对方确认的字节序列号，右侧是左侧+ B通告window size。  
  
  
TCP流量控制 ：TCP三次同步握手建立连接之后，会 采用slow start 算法来快速摸到传输路径带宽的峰值 。为了便于叙述，假定window size 1024 byte = 1 segment，以下全采用segment，slow start 算法如下：  
  
1）无论对方advertised window size 多大，A第一次只发一个TCP segment，即 congestion window =1,等待对方确认  
  
2）收到确认，发2个 Congestion window = 2, 等待对方确认   
  
3）收到确认，继续加倍，发4个…  
  
…  
  
就这么指数翻倍，那是不是A可以无穷无尽地增长下去？当然不会，A的发送速率受到两个值制约：  
  
一个是对方的 advertised window size  ，如果此值是8，那A最大一次只能发8个segment，需要等待B的确认，在A等待期间，A到B方向带宽是闲置的，需要至少等待一个 RTT(Round Trip Time)，收到B的确认并且 window >= 1024 ，A才可以继续发送。如果网络带宽无限大，网络没有丢包，那带宽的峰值由对方的advertised window size 以及A与B之间RTT来决定。window size 越大，说明对方接收缓冲区越大，A可以最大限度利用带宽，可以让字节流充分占据链路，带宽闲置率低，发送速率也就越高；RTT越小，A的等待时间也相应小一些，但它对A发送速率的影响远没有window size来的大。  
  
另外一个制约值就是 路径实时带宽 ，A方发送速率一直翻倍，终于到达了其最大峰值，此时的congestion window 被保存 到slow start threshold ，再大就开始丢包了，A方没有收到被丢弃包的确认，知道可能触发路径的拥塞，于是启动了另外一个法， congestion avoidance , 先将slow start threshold = 1/2 \*slow start threshold，congestion window = slow start threshold +1 , 可以看出A方的发送速率立马就减到峰值的一半，于是以1/2的峰值速率 线性增长。何谓线性增长？就是收到对方确认，每次对 congestion window + 1，如果出现又丢包了，再将发送速率减半，然后在线性增长。这就是TCP特点，速率减少时，指数对半下降；速率上升时，slow start 是指数翻倍上升，而congestion avoidance 是线性增长。  
  
总结一下，slow start虽然字面是慢启动，但是它可以指数翻倍增长，快速上摸到路径的带宽极限值，一旦有丢包，指数1/2下降，特点是大起大落，这不利于带宽的充分利用。  
  
A方啥时采用slow start?   
A\_Send\_Window < Slow Start Threshold  
  
而congestion avoidance 则是用来克服slow start 的不足，采用小碎步的方式，线性增长逼近带宽的峰值。  
  
A方啥时采用congestion avoidance?

A\_Send\_Window > Slow Start Threshold

https://www.zhihu.com/question/48454744