【Java EE】TCP—滑动窗口

滑动窗口

• 滑动窗口
• • 什么是滑动窗口？
  • [发送策略：等所有 ACK 回来还是收到一个就发？](#发送策略：等所有 ACK 回来还是收到一个就发？)
  • 累计确认：ACK丢失问题⭐
  • 乱序ACK的处理⭐
  • 快速重传：数据丢失问题⭐
  • • [为什么重传成功后 ACK 直接变成 7001？](#为什么重传成功后 ACK 直接变成 7001？)
    • 超时重传和快速重传机制的分工⭐
  • 窗口动态调整

滑动窗口

什么是滑动窗口？

窗口大小 定义为：不需要等待确认应答，能够连续发送的最大数据量。

窗口的单位通常是字节（或数据包个数）。发送方在窗口范围内可以"一口气"发出多个数据段，然后等待这些数据段的 ACK。
发送缓冲区
已发送已确认
已发送未确认
可发送未发送
不可发送

上图中，黄色部分为"已发送但未收到 ACK"的数据，蓝色部分为"窗口内待发送的数据"。随着 ACK 的到达，窗口会向右滑动，新的数据进入窗口并被发送。

发送策略：等所有 ACK 回来还是收到一个就发？

初学者常会疑惑：发送方应该等窗口内所有 ACK 都收到后再发下一批，还是每收到一个 ACK 就立即发一个新的？

答案是后者 。TCP 采用的是流水线 和滑动窗口 机制：发送方可以连续发出窗口允许的多个数据段，而不必等前一个确认返回。每收到一个累计 ACK，窗口便向右滑动，腾出的空间立即允许发送新的数据段。

下面以窗口大小为 3 个段（每个段 1000 字节）为例，演示这一过程：
主机B（接收方） 主机A（发送方） 主机B（接收方） 主机A（发送方） 发送窗口 [1~3000] 窗口用尽，等待确认 收到 1~3000 窗口右滑 → [3001~6000] 立即发送 3001~4000 收到 1~4000 窗口再次右滑 → [4001~7000] 立即发送 4001~5000 数据包 1~1000 数据包 1001~2000 数据包 2001~3000 ACK 3001（确认收到 1~3000） 数据包 3001~4000 ACK 4001（确认收到 1~4000） 数据包 4001~5000

图解说明：

• 主机 A 一开始便连发 3 个数据段，把窗口填满。
• 收到第一个 ACK（累计确认 1~3000）后，窗口右移 至 3001~6000，A 立即将 3001~4000 发送出去。
• 收到第二个 ACK（累计确认 1~4000）时，窗口继续右移，又可发送下一个段。

整个过程无需等待所有 ACK 返回，一个 ACK 就能推动窗口滑动并触发一次新发送，传输链路始终保持忙碌，大大减少了空闲等待时间，这就是滑动窗口流水线的高效所在。

累计确认：ACK丢失问题⭐

网络传输中，ACK 本身也可能丢失。假设主机B收到了数据包1~5000，但返回给主机A的某些ACK在途中丢失了。此时需要重传吗？

不需要 。TCP 使用累计确认机制：ACK 携带的是"下一个期望收到的字节序号"。例如：

• 收到1~1000后，回复 ACK: 下一个是1001
• 又收到1001~2000，回复 ACK: 下一个是2001
• 如果 ACK(2001) 丢失，但随后收到3001~4000，则接收方会回复 ACK: 下一个是4001

这个 ACK(4001) 隐含地确认了4001之前的所有数据（包括1~3000）。因此，即使中间的ACK丢失，只要后续有更高序号的ACK到达，发送方就知道之前的数据已被成功接收。
主机B 主机A 主机B 主机A ACK 2001 在传输中丢失 主机A收到ACK 4001 就知道1~4000已全部确认 即使ACK 2001丢了也无需重传 发送数据 1~1000 ACK 1001 (确认收到1~1000) 发送数据 1001~2000 ACK 2001 ❌ 丢失 发送数据 2001~3000 ACK 3001 (确认收到1~3000) 发送数据 3001~4000 ACK 4001 ✅ 到达 (确认收到1~4000)

上图中，ACK(2001)丢失，但主机A随后收到了ACK(4001)。根据累计确认，ACK(4001)代表1~4000全部确认，因此无需重传任何数据。这就是"后一个ACK能涵盖前一个ACK的含义"。

乱序ACK的处理⭐

由于网络延迟不同，ACK 确实可能不按顺序到达。例如，主机 A 连续发送了 1~1000、1001~2000、2001~3000 三个报文段，接收方 B 对应生成 ACK 1001、ACK 2001、ACK 3001。

若 ACK 3001 先到达，ACK 2001 后到达，会发生什么？

滑动窗口天然支持乱序 ACK，处理规则极其简单：永远以收到的最大确认序号为准。

• ACK 3001 是一个累计确认，表示"1~3000 已全部收到"。
• 主机 A 收到后，立即将发送窗口左边界滑动到 3001，此时即使 2001~3000 刚刚才被确认，也不影响窗口前进，3001~4000 可以马上发送。
• 随后，迟到的 ACK 2001 到达。由于它要确认的范围 1~2000 早已被 ACK 3001 覆盖，这条 ACK 就是冗余信息，直接忽略。窗口不会倒退，也不会做任何重传。

整个过程如下图所示：
主机B 主机A 主机B 主机A 生成 ACK 1001、2001、3001 窗口右移至 3001 可发送 3001~4000 确认范围已被覆盖，忽略 数据 1~1000 数据 1001~2000 数据 2001~3000 ACK 3001（先到，确认1~3000） ACK 2001（后到，冗余） 数据 3001~4000

核心要点：

• 累计确认让 TCP 只关心"已连续确认到哪个序号"，不依赖 ACK 的到达顺序。
• 窗口只沿序号增大方向滑动，不后退、不重传已确认数据。
• 迟到的、确认范围更小的 ACK，在更大的 ACK 面前直接变成冗余，安全丢弃。

快速重传：数据丢失问题⭐

当发送方一口气发出整个滑动窗口的数据时，某个中间数据段一旦丢失，接收方会收到大量跳过空洞的后续数据。此时 TCP 的累积确认 规则会让接收方不断发送相同的 ACK （期望缺失的那个起始序号），这就是重复 ACK。

快速重传的规则是：

发送方只要连续收到 3 个重复 ACK （即一共 4 个相同的 ACK），就立刻判定对应的数据段已丢失，不等待超时，马上重传该段。

假设每个数据段固定 1000 字节 ，起始序号为 1。发送方一口气发出了 1～7000 的数据（共 7 个段），但第二个段 1001‑2000 在网络中丢失了。

1. 接收方不断催促"我要 1001"

• 主机 A 发送：1‑1000、1001‑2000（丢失）、2001‑3000、3001‑4000、4001‑5000、5001‑6000、6001‑7000。
• 主机 B 收到 1‑1000，回复 ACK=1001（期望下一字节是 1001）。
• 随后 B 陆续收到 2001‑3000、3001‑4000...... 但由于 1001‑2000 缺口存在，这些段无法累积确认，B 只能一次又一次 地回复 ACK=1001。
• 于是主机 A 会接连收到多个完全相同的 ACK。

2. 发送方果断重传

当主机 A 连续收到 3 个重复的 ACK=1001 时，它立即意识到 1001‑2000 已丢失，不等计时器超时，直接重传该段。

3. 缺失补齐，ACK 一次跳跃

主机 B 终于收到重传的 1001‑2000，它检查缓冲区发现：

• 缺口之前：1‑1000 已确认。
• 缺口本身：1001‑2000 刚到位。
• 缺口之后：2001～7000 早已在缓冲区中排队。

现在从 1 到 7000 的所有字节都已连续收到，于是 B 回应一个 ACK=7001，表示"下一个期望的是第 7001 字节"。原本一直在喊"1001"，补上缺失的一块后，确认号一下子就跳到了 7001。
接收方(主机B) 发送方(主机A) 接收方(主机B) 发送方(主机A) 滑动窗口批量发送，段1001-2000丢失 累计收到3个重复ACK=1001 触发快速重传 收到缺失段，缓冲区已有1~7000连续数据 继续正常传输7001之后的数据 Seq=1, Len=1000 (1~1000) Seq=1001, Len=1000 (丢失) Seq=2001, Len=1000 Seq=3001, Len=1000 Seq=4001, Len=1000 Seq=5001, Len=1000 Seq=6001, Len=1000 ACK=1001 (期望1001) ACK=1001 (重复，因收到2001-3000) ACK=1001 (重复，因收到3001-4000) ACK=1001 (重复，因收到4001-5000) 重传 Seq=1001, Len=1000 ACK=7001 (累积确认向前跳跃)

为什么重传成功后 ACK 直接变成 7001？

这正是 TCP 累积确认的威力。

• 在 1001‑2000 补上之前，接收方虽然已经正确收到了 2001～7000，但因为数据流中间有个空洞，协议不允许确认不连续的部分，所以 ACK 只能停留在 1001。
• 一旦缺失的段被填充，接收方就能把 1 到 7000 的所有数据一次性"拼图成功"，期望序号立刻跳到 7001。

这种设计既保证了可靠性，又能通过一次 ACK 确认一大批数据，非常高效。

超时重传和快速重传机制的分工⭐

快速重传并非要取代超时重传，它们有着明确的分工。下面的流程图展示了发送方的完整决策逻辑：
是
否/超时
是
否
是
否
发送数据段
收到 ACK?
正常更新窗口
重传计时器超时?
超时重传
收到 3 个重复 ACK?
快速重传丢失段
继续等待 ACK 或更多重复 ACK

再将两者特点浓缩为一表：

机制	核心思想	依赖条件	效率
超时重传	等待定时器到期后重传	任何场景均可兜底	较低，但绝对可靠
快速重传	通过重复 ACK 提前触发重传	需要滑动窗口批量发送，产生 ≥3 个重复 ACK	高，能快速恢复

• 两者相辅相成：实际通信中，优先由快速重传修复大部分丢包（当前网络几乎总是批量传输），极少数无法产生重复 ACK 的场景（例如窗口末尾丢包）再由超时重传来兜底。
• 深刻理解这两大重传机制，是掌握 TCP 拥塞控制（慢启动、快重传/快恢复）必不可少的基础。

窗口动态调整

窗口越大，一次批量发送的数据越多，网络利用率越高。但窗口不能无限大，原因有二：

• 可靠性风险：窗口过大，一旦发生丢包，需要重传的数据量也大，可能加剧网络拥堵。
• 接收方缓存限制：接收方通告的"接收窗口"是发送窗口的上限，不能超出。

因此，实际发送窗口 = min( 接收方窗口 , 拥塞窗口 ) 。

其中拥塞窗口由发送方根据网络状况动态调整：收到新的 ACK 时逐步增大（慢启动、拥塞避免），检测到丢包时迅速减小（快重传、快恢复）。

滑动窗口无法消除可靠性带来的开销 （重传、排序、连接管理等），因此 TCP 的效率不可能超过无连接的 UDP。UDP 只管发送，不关心是否到达，速度最快；TCP 的滑动窗口只是让可靠传输的折损变得更小。
效率对比
引入滑动窗口后
UDP

无可靠性，效率最高
TCP停-等

可靠性高，效率极低
TCP滑动窗口

可靠性高，效率较高