TCP窗口大小

TCP 头部包含一个 16 位（Bit）的 Window Size 字段。
Window Scale（窗口扩大因子，WSopt） 是一个仅在建立连接时使用的协商选项（RFC 1323/RFC 7323）：

  1. 只出现于握手阶段：它只能出现在带 SYN 标志位的报文里（即客户端的 SYN 和服务端的 SYN-ACK）。

  2. 协商即固定：双方在 SYN 包中告知对方自己的移位因子（Shift Count）。一旦三次握手完成，连接存续期间移位因子就不再更改，后续的 ACK 或数据包中不会再包含 Window Scale 选项。

  3. 双向独立：客户端和服务端协商的 Shift Count 可以不同（比如客户端指定 7，服务端指定 8）。如果其中一方在 SYN 中没有带 Window Scale 选项，双方在后续通信中都不能使用窗口扩大功能。

  4. 计算应用于后续所有包：握手完成后，后续所有数据包和 ACK 包 TCP 首部里的 16 位 Window Value，都会自动乘以握手时确定的 2^{\text{Shift Count}}。

在 TCP 三次握手的第一步（第一个 SYN 包），发送方（Client）在还没有收到任何数据的情况下，就已经在 TCP 首部的 Window Size 字段填入了一个数值（例如 64240）。

  • 含义：这是客户端在告诉服务端：“如果握手成功，我（作为接收方）初始建立的接收缓冲区大小是这么多，你可以按这个规格发数据给我。”

  • 双方对称：随后服务端回复的 SYN-ACK 包中，也会带上服务端自己的初始 Window Size。

  • 接收方发送 ACK 时，会同时附带最新的窗口大小（通告窗口，Advertised Window）。

  • 当接收方缓冲区满了，它会发送 Window Size = 0（零窗口，Zero Window），此时发送方必须暂停发送数据，直到收到接收方发送的窗口更新（Window Update）
    发送方实际能发送的数据量不仅受接收方限制，还受网络拥塞程度影响：

    \text{Effective Window} = \min(\text{rwnd}, \text{cwnd})

  • rwnd (Receiver Window)：接收方通告窗口，反映接收端能力。

  • cwnd (Congestion Window)：拥塞窗口，由发送方根据网络拥塞算法（如 Reno、CUBIC、BBR）计算得出，反映网络传输能力。

1. TCP 窗口扩大因子 (Window Scale Option)

TCP 报文首部原本只保留了 16 位来表示窗口大小，因此原始最大窗口为：

2^{16} - 1 = 65,535 \text{ 字节 (约 64 KB)}

在高带宽延时积网络（BDP，Bandwidth-Delay Product，如千兆光纤、跨国长途网络）中，64 KB 的窗口会成为严重限制网络吞吐量的瓶颈。

为了解决这个问题，RFC 1323 引入了 TCP Window Scale Option（WSopt）：

  • 发生在 TCP 三次握手阶段（SYN 报文中协商）。

  • 增加一个位移因子（Shift Count，范围 0~14）。

  • 实际窗口大小计算公式为：

\text{Actual Window Size} = \text{TCP Header Window Value} \times 2^{\text{shift\_count}}
  • 最大理论窗口：当位移因子为 14 时，最大窗口可扩展至 65,535 \times 2^{14} \approx 1 \text{ GB}。
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