TCP滑動窗口協議

TCP的首部中​有一個很重要的字段就是16位長的窗口大小，它出現在每一個TCP數據報中，配合32位的確認序號，用於向對端通告本地socket的接收窗口大小。也就是說，如果本地socket發送一個TCP數據，其32位確認序號是5,窗口大小是5840，則用於告訴對端，對端已經發出的4個字節的數據已經收到並確認，接下來，本地socket最多能夠接收從第5個字節開始的5840個字節長度的數據。這是由接收方進行的一種流量控制，接收方通過告訴發送方自己所能夠接收數據的大小，達到控制發送方發送速度的目的。
    結構體struct tcp_sock中有很多成員數據跟滑動窗口協議相關，需要注意的是這里講的滑動窗口都是指本地socket的接收窗口。
    成員window_clamp表示滑動窗口的最大值，滑動窗口的大小在變化的過程中不能超出這個值。它在TCP連接建立的時候被初始化，被置為最大的16位整數左移窗口的擴大因子，因為滑動窗口在TCP首部中以16位表示，window_clamp太大會導致滑動窗口不能在TCP首部中表示。
    成員rx_opt是一個struct tcp_options_received結構體，它有兩個成員snd_wscale和rcv_wscale，分別表示來自對端通告的滑動窗口擴大因子(本地發送數據報時需要遵守)，和本地接收滑動窗口的擴大因子。snd_wscale從來自對端的第一個SYN中獲取。rcv_wscale在本地socket建立連接時初始化，它賦值的原則是使16位整數的最大值左移rcv_wscale后，至少可以達到整個接收緩存的最大值。接收緩存最大值在協議棧中由全局變量mysysctl_rmem_max表示，它是256*(256+sizeof(struct sk_buff))后的值，為107520，但sysctl_tcp_rmem[3]所表示的接收緩存的上限更大，為174760，所以，取后者，這樣的話，rcv_wscale的值幾乎可以說是固定的，為2。所以window_clamp的值就是 65535 << 2 = 262140。可見，window_clamp的值超出了接收緩存的最大值，但這沒有關系，因為在滑動窗口增長的時候，會考慮接收緩存的大小這個因素的。
    rcv_wnd表示當前的接收窗口的大小，這個值在接收到來自對端的數據后，會變動的。它的初始值取接收緩存大小的3/4跟MAX_TCP_WINDOW之間的最小值，MAX_TCP_WINDOW在系統中的定義為32767U。然后，還要根據mss的值作一個調整，調整邏輯是：如果mss大於3*1460，則如果當前的rcv_wnd大於兩倍的mss，就取兩倍的mss作為rcv_wnd的值；如果mss大於1460，則如果當前的rcv_wnd大於3倍的mss，就取3倍的mss作為rcv_wnd的新值；否則，如果rcv_wnd大於4倍的mss,就取4倍的mss作為rcv_wnd的新值，我們的實驗環境的mss值為1448(因為tcp首部有12字節的時間戳選項)，所以rcv_wnd最后被調整為1448*4=5792。
    rcv_ssthresh是當前的接收窗口大小的一個閥值，其初始值就置為rcv_wnd。它跟rcv_wnd配合工作，當本地socket收到數據報，並滿足一定條件時，增長rcv_ssthresh的值，在下一次發送數據報組建TCP首部時，需要通告對端當前的接收窗口大小，這時需要更新rcv_wnd，此時rcv_wnd的取值不能超過rcv_ssthresh的值。兩者配合，達到一個滑動窗口大小緩慢增長的效果。
    rcv_wup記錄滑動窗口的左邊沿，即落在滑動窗口中的最小的一個序號。這樣的話，rcv_wup+rcv_wnd即為滑動窗口的右邊沿，rcv_wup+rcv_wnd-rcv_nxt即為滑動窗口的空白部分。它的初始值為0，在移動滑動窗口時被更新。    以上是關於接收滑動窗口的幾個相關數據，下面我們看看它們是如何運用在TCP協議的通訊中的。
    每次發送一個TCP數據報，都要構建TCP首部，這時，會調用my tcp_select_window選擇窗口大小，窗口大小選擇的基本思想是接收緩存剩余空間大小的3/4，但是不能超過rcv_ssthresh的大小。但是，如果這個新選擇的窗口大小比當前窗口的剩余大小還小，則以當前窗口的剩余大小作為新窗口的大小。同時右移左邊沿，令rcv_wup=rcv_nxt。這個新選擇的窗口是受rcv_ssthresh限制的，一般不會有什么問題，但我們可以看到代碼中還是作了一些上限判斷，如果擴大因子為0,則窗口大小不能超過32767U，否則不能超過65535左移擴大因子后的值。
    每次接收到來自對端的一個TCP數據報，且數據報長度大於128字節時，我們需要調用mytcp_grow_window，增加rcv_ssthresh的值，一般每次為rcv_ssthresh增長兩倍的mss，增加的條件是rcv_ssthresh小於window_clamp,並且rcv_ssthresh小於接收緩存剩余空間的3/4，同時tcp_memory_pressure沒有被置位(即接收緩存中的數據量沒有太大)。tcp_grow_window中對新收到的skb的長度還有一些限制，並不總是增長rcv_ssthresh的值。具體見函數代碼。
    以上是關於接收窗口，下面簡單看一下發送窗口。關於發送窗口，在struct tcp_sock中也有一些成員數據相關。
    snd_wl1記錄發送窗口更新時，造成窗口更新的那個ACK數據報的第一個序號。它主要用於在下一次判斷是否需要更新發送窗口。
    snd_wnd是發送窗口的大小，直接取值於來自對端的數據報的TCP首部。
    max_window記錄來自對端通告的窗口的最大值。
    snd_una表示當前正等待ACK的第一個序號，而發送窗口實際上是在每次收到來自對端的ACK后，都會更新，所以，實際上snd_una成了發送窗口的左邊沿。