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深入理解 TCP：重传机制、滑动窗口、流量控制与拥塞控制

news 来源：原创 2025/8/3 10:07:32

TCP（Transmission Control Protocol）是一个面向连接、可靠传输的协议，支撑着绝大多数互联网通信。在实现可靠性的背后，TCP 引入了多个关键机制：重传机制、滑动窗口、流量控制 和 拥塞控制。这些机制共同协作，确保了网络传输的稳定性、高效性和公平性。

本文将从这四大模块出发，逐层剖析其工作原理及内部联系。

一、TCP 重传机制

1.1 超时重传

当 TCP 发送方发出一个数据段后，如果在预定时间内没有收到 ACK（确认），就会触发超时重传。这个时间称为 重传超时时间 RTO（Retransmission Timeout）。

RTO 的计算通常使用 RTT（往返时间）预测算法，结合抖动值进行加权调整。

✅ 作用：解决数据包丢失或 ACK 丢失问题。

1.2 快速重传

快速重传避免了等待 RTO 超时时间。当接收方连续收到三个相同的 ACK（称为 Duplicate ACK）时，发送方立刻重传对应的段，认为该段可能丢失。

✅ 好处：显著缩短丢包检测时间，提高吞吐量。

1.3 SACK 方法（Selective Acknowledgment）

SACK（选择性确认）机制允许接收方告诉发送方：我收到了哪些数据段，即便这些段是不连续的。

例如，收到段 #1、#2、#4、#5，丢了 #3，那么接收方会告诉发送方：我收到了 #1-#2 和 #4-#5。发送方据此只需重发 #3，而不是整个窗口。

✅ 对比快速重传：SACK 更细粒度、效率更高。

1.4 Duplicate SACK

一种对 SACK 的增强，用于进一步标明哪些段被重复收到了，有助于快速判断拥塞与丢包状态。

ack包丢失：

网络延时：

二、滑动窗口机制

2.1 滑动窗口定义

滑动窗口是 TCP 中的核心机制之一，用于控制发送方可以连续发送多少字节而无需等待 ACK。其大小取决于接收方通告窗口（rwnd）和拥塞窗口（cwnd）中较小的值。

我们都知道 TCP 是每发送一个数据，都要进行一次确认应答。当上一个数据包收到了应答了， 再发送下一个，这个模式就有点像我和你面对面聊天，你一句我一句。但这种方式的缺点是效率比较低的。

一发一ack:

为解决这个问题，TCP 引入了窗口这个概念。即使在往返时间较长的情况下，它也不会降低网络通信的效率

2.2 工作原理

  • 每次发送新的数据后，窗口向右滑动；

  • 收到 ACK 后，窗口继续向右滑动；

  • 丢包或拥塞时，窗口收缩。

✅ 作用：保持网络“流水线式”的高效传输。

三、流量控制

3.1 基本思想

流量控制主要是为了防止发送方“发太快”，而接收方“接不过来”。这依赖于接收方通告窗口（rwnd），它告诉发送方“我还能接收多少数据”。

3.2 缓冲区与窗口的关系

接收方在操作系统内核中分配一段 缓冲区 存储 TCP 数据。rwnd 就是这个缓冲区剩余大小的反映。

⚠️ 若发送数据快于应用层消费速度，缓冲区满，rwnd=0，发送方必须暂停发送。

可能出现的情况：

为了防止这种情况发生，TCP 规定是不允许同时减少缓存又收缩窗口的，而是采用先收缩窗口，过段时间再减少缓存，这样就可以避免了丢包情况

3.3 窗口关闭

当 rwnd=0 时，TCP 会暂时关闭窗口，不再发送数据。发送方会周期性发送“窗口探测包”（Zero Window Probe）询问接收方缓冲是否已空。

3.4 糊涂窗口综合症（Silly Window Syndrome）

当接收方的缓冲区空闲很少就通告窗口，或发送方每次只发一点点数据，这会导致网络效率极低。这种现象称为“糊涂窗口综合症”。

解决方式：

  • 接收方策略：不通告过小窗口；

  • 发送方策略（Nagle算法）：累积数据后再发送。

四、拥塞控制

拥塞控制目标是防止发送方过快发送数据导致网络拥塞。TCP 通过以下机制动态调节发送速率：

4.1 慢启动（Slow Start）

初始时 cwnd 很小（1 MSS），每收到一个 ACK 就将 cwnd 加倍（指数增长）。直到达到阈值（ssthresh）或出现丢包为止。

✅ 作用：逐步探测网络能力，防止突发冲击。

4.2 拥塞避免（Congestion Avoidance）

当 cwnd > ssthresh 后，进入线性增长阶段，即每个 RTT 只增长 1 MSS，避免过快增大窗口。

4.3 拥塞发生（例如快速重传触发）

  • cwnd 减半（乘法减小）；

  • ssthresh 设置为一半；

  • 重回慢启动或进入快速恢复。

4.4 快速恢复

当触发快速重传时，不进入慢启动，而是认为网络并未严重拥塞，因此采用 快速恢复算法：

  • 将 cwnd 设置为 ssthresh；

  • 继续进入拥塞避免阶段。

五、四大机制的联系与整体架构

我们将四部分的核心关系梳理如下：

模块控制目标核心机制所需信息
重传机制保证可靠传输超时重传、快速重传、SACKACK、RTT
滑动窗口提升效率流水线式传输发送窗口
流量控制防止接收方被压垮接收窗口控制 rwnd缓冲区
拥塞控制保持网络稳定慢启动、拥塞避免、快速恢复丢包信号、ACK 统计

✅ 总结一句话：
TCP 通过滑动窗口提高吞吐，通过流量控制保护接收端，通过拥塞控制避免网络瘫痪，而重传机制是保证可靠性基石。

参考：4.2 TCP 重传、滑动窗口、流量控制、拥塞控制 | 小林coding

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