TCP 滑动窗口核心源码分析（Linux）-优快云博客

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TCP 滑动窗口机制是 Linux 内核网络协议栈的核心组成部分，主要涉及以下几个关键文件和数据结构：

核心数据结构：struct tcp_sock
窗口管理函数：tcp_rcv_space_adjust()
窗口更新逻辑：tcp_event_data_sent()、tcp_ack()
拥塞控制实现：tcp_congestion_control()

下面我们通过分析 Linux 内核源码（基于 5.15 版本）来理解滑动窗口的工作原理：

1. 关键数据结构定义

struct tcp_sock {
    /* 拥塞控制相关参数 */
    u32 snd_cwnd; /* 发送窗口大小 */
    u32 snd_ssthresh; /* 慢启动阈值 */
    u32 snd_wnd; /* 接收方通告的窗口大小 */
    u32 snd_wl1; /* 最近一次窗口更新时的序列号 */
    u32 snd_wl2; /* 最近一次窗口更新时的确认号 */
    /* 序列号管理 */
    u32 snd_una; /* 未确认的最早序列号 */
    u32 snd_nxt; /* 下一个要发送的序列号 */
    u32 snd_up; /* 紧急指针位置 */
    u32 snd_wnd_clamp; /* 窗口大小上限 */
    /* 接收窗口管理 */
    u32 rcv_wnd; /* 当前接收窗口大小 */
    u32 rcv_nxt; /* 期望接收的下一个序列号 */
    u32 rcv_wup; /* 窗口更新时的确认号 */
};

2. 接收窗口调整逻辑

当接收到数据时，内核会调用tcp_rcv_space_adjust()函数调整接收窗口：

static void tcp_rcv_space_adjust(struct sock *sk)
{
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    int window;
    /* 计算可用接收缓冲区大小 */
    window = sk->sk_rcvbuf - sk_wmem_queued(sk);
    /* 应用窗口缩放因子 */
    window = min_t(int, window, TCP_MAX_WINDOW);
    window >>= tp->rx_opt.wscale;
    /* 更新接收窗口大小 */
    if (window != tp->rcv_wnd) {
        tp->rcv_wnd = window;
        /* 设置窗口更新标志 */
        tcp_mark_window_update(sk);
    }
}

3. 发送窗口计算逻辑

在发送数据前，内核会计算实际可用的发送窗口：

static inline u32 tcp_current_snd_window(const struct tcp_sock *tp)
{
	/* 实际发送窗口 = min(拥塞窗口, 接收方通告窗口) */
	return min(tp->snd_cwnd, tp->snd_wnd);
}
/* 计算可发送的字节数 */
static inline u32 tcp_send_headroom(const struct tcp_sock *tp)
{
	u32 headroom;
	/* 窗口右边界 - 下一个要发送的序列号 */
	headroom = tcp_wnd_end(tp) - tp->snd_nxt;
	/* 如果已经超过窗口大小，返回0 */
	if (headroom > tp->snd_wnd)
		headroom = 0;
	return headroom;
}

4. 窗口滑动逻辑

当收到 ACK 确认时，内核会调用tcp_ack()函数处理确认并滑动窗口：

static int tcp_ack(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, int flag)
{
	struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
	u32 ack = TCP_SKB_CB(skb)->ack_seq;
	u32 old_una = tp->snd_una;
	/* 处理ACK确认 */
	if (after(ack, tp->snd_una)) {
		/* 滑动窗口左边界到最新确认位置 */
		tp->snd_una = ack;
		/* 更新拥塞窗口（慢启动或拥塞避免） */
		tcp_cong_ack(sk, ack, FLAG_SLOWPATH);
		/* 检查是否有新的窗口更新 */
		if (TCP_SKB_CB(skb)->rx_opt.wscale_ok &&
		TCP_SKB_CB(skb)->window_clamp) {
			tp->snd_wnd_clamp = TCP_SKB_CB(skb)->window_clamp;
		}
		/* 更新接收方通告的窗口大小 */
		if (tcp_update_windows(tp, skb)) {
			/* 窗口已更新，触发发送更多数据 */
			tcp_event_data_sent(sk);
		}
	}
	/* 其他ACK处理逻辑... */
	return 0;
}

5. 窗口更新触发数据发送

当窗口更新或有新的确认到达时，内核会调用tcp_event_data_sent()尝试发送更多数据：

static void tcp_event_data_sent(struct sock *sk)
{
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    /* 如果有数据等待发送且窗口允许 */
    if (tcp_write_queue_empty(sk) == 0 &&
        tcp_send_headroom(tp) > 0) {
            /* 尝试发送数据 */
            tcp_send_active(sk);
    }
}

6. 糊涂窗口综合征避免

Linux 内核通过以下逻辑避免糊涂窗口综合征：

static bool tcp_snd_wnd_test(struct sock *sk)
{
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    int mss = tcp_current_mss(sk);
    /* 窗口太小且缓冲区数据不足一个MSS时，暂不发送 */
    if (tp->snd_wnd < mss && sk_wmem_queued(sk) < mss) {
        /* 延迟发送，等待更多数据积累 */
        return false;
    }
    return true;
}