网络：TCP序列号和滑动窗口，顺序保证

TCP通过序列号（Sequence Number） 和滑动窗口（Sliding Window） 两大核心机制保证数据顺序，同时实现高吞吐量。以下从原理到实践逐步解析：

一、顺序保证的核心：序列号与确认号

1. 字节流编号

• 发送序列号（SEQ）：每个TCP段携带的序列号 = 该段第一个字节在数据流中的全局位置
  （如首段SEQ=1000，携带100字节 → 下一段SEQ=1100）
• 确认号（ACK）：接收方回复的ACK = 期望接收的下一个字节的序列号
  （收到SEQ=1000的段后，回复ACK=1100）

2. 顺序控制流程

• 乱序处理：若段2（SEQ=1200）比段1先到达：
  • 接收方发现SEQ=1200不连续（期望1000） → 缓存段2但不确认
  • 收到段1（SEQ=1000）后 → 连续确认至1400（段1+段2）

✅ 关键点：接收方只按序确认连续数据，乱序数据暂存缓冲区。

二、滑动窗口：平衡顺序与吞吐量

1. 窗口定义

• 接收窗口（rwnd）：接收方通告的剩余缓冲区大小（决定发送方可发多少数据）
• 拥塞窗口（cwnd）：发送方根据网络拥塞估算的最大在途数据量
• 实际发送窗口 = min(rwnd, cwnd)

2. 滑动过程示例

• 初始状态：
  • 发送窗口 = 3段（假设每段200字节）
  • 发送：段1（1000-1199）、段2（1200-1399）、段3（1400-1599）
• 接收方确认段1：
  • 窗口右移 → 可发送段4（1600-1799）
• 结果：
  • 顺序性：段1确认前，段4不会发送
  • 高吞吐：管道中始终有3个段在传输（并行）

3. 动态窗口调整

• 接收方控制（rwnd）：
  通过TCP头部的Window Size字段动态通告剩余缓冲区（如初始16KB → 降至8KB时限制发送速率）。
• 拥塞控制（cwnd）：
  • 慢启动：cwnd从1开始指数增长（1→2→4→8…）
  • 拥塞避免：接近阈值时线性增长（+1/cwnd per ACK）
  • 快速恢复：丢包时cwnd减半，避免连接重置

三、粘包/拆包与滑动窗口的关联

1. 粘包（Nagle算法）

• 问题：小数据包（如SSH按键）频繁发送 → 浪费带宽（40字节头+1字节数据）
• 解决：
  • 发送方缓存小数据，直到满足：
    a) 数据量 ≥ MSS
    b) 收到前一个包的ACK
  • 副作用：延迟增加（如游戏操作卡顿）
  • 禁用方法：setsockopt(TCP_NODELAY)

2. 拆包（MTU限制）

• 强制拆包：应用层数据 > MSS → TCP自动拆分为多个段
• 接收重组：接收方按SEQ号重组字节流，保证顺序透明

📌 关键结论：粘包是发送优化策略，拆包是传输层物理约束，二者均不影响接收端顺序。

四、如何追求更高吞吐量？

1. 窗口缩放（Window Scaling）

问题：TCP头部Window Size字段仅16位 → 最大窗口64KB（10Gbps链路下延迟>5ms即受限）

解决：握手时协商缩放因子（Scale Factor）

    # Linux查看窗口缩放cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_window_scaling  # 默认1sysctl -w net.ipv4.tcp_window_scaling=3    # 缩放因子8（64KB*8=512KB）

2. 选择性确认（SACK）

问题：单个包丢失导致整个窗口重传（性能低下）

解决：接收方通告乱序接收的段范围

    # SACK格式示例（TCP选项）TCP Header:Options: SACK=1200-1399, 1600-1799  # 收到段2和段4，但段3丢失

发送方仅重传段3（SEQ=1400-1599）

3. 高速网络优化

BBR算法：Google提出，通过测量带宽和延迟动态调整cwnd

    # Linux启用BBRsysctl -w net.ipv4.tcp_congestion_control=bbr

效果：YouTube平均吞吐提升4%，延迟降20%

总结

1. 顺序保证：

• 序列号（SEQ）标记字节位置
• 接收方按序确认（ACK）

2. 吞吐优化：

• 滑动窗口控制管道数据量
• 动态调整（rwnd/cwnd）适配网络状态

3.高级机制：

• 窗口缩放突破64KB限制
• SACK减少重传开销
• BBR等算法智能避堵

滑动窗口的精髓在于：**以顺序性为前提，通过管道并行化最大化吞吐。**理解这一平衡艺术，是掌握TCP协议的关键所在。