理解TCP滑動窗口是如何工作的，對于理解TCP的其他知識是至關重要的。
相比于更為簡單，同為傳輸層協議的UDP而言，TCP提供了對傳輸數據的質量保證。
在可靠性上，TCP確保傳輸的數據不丟失、不重復，也不會產生亂序。
同時，TCP還提供了流量控制，用于控制數據發送的速度，防止較快主機導致較慢主機的緩沖區溢出。
接下來，從不可靠的協議開始說起，看看TCP面向流的滑動窗口機制是如何演化而來的。
不可靠的協議
對于不可靠的協議（例如IP、UDP），當數據發出去之后，可能到達目的地，也可能丟失。
如果沒有提供消息反饋的機制，那么發送方將無法獲知數據是否已成功的送達目的地，因而也無法對丟失的數據進行重傳。
沒有消息反饋機制，是造成傳輸不可靠，沒有流控的一個主要原因。
支持重傳的確認機制
為了能夠在一個不可靠協議的基礎之上，進行可靠的數據傳輸，引入了消息反饋機制。
消息反饋
發送方發送一條信息，當接收方收到數據之后，給發送方返回一個接收成功的反饋信息。
簡單的實現流程如下：
- 主機A給主機B發送一條消息；
- 主機B收到后，給主機A發送一條確認消息，告訴A消息已經被成功的接收了；
- 主機A在收到B的確認消息之后，就知道該消息已發送成功。
但是這個簡單的機制，可能存在2個問題：
- 由于IP協議是不可靠的，實際上消息可能沒有到達目的地。這樣，主機A將會處于等待消息確認的狀態，可能永遠也收不到確認。
- 另一方面，也有可能主機B在收到了從A發送過來的消息之后，返回了確認消息，但這個消息卻意外的丟失了。
以上2種情況，都有可能導致主機A一直處于等待確認消息的狀態，但卻永遠也等不到。
超時重傳
為了解決這個問題，當主機A發送一條消息之后，可以同時啟動一個計時器。這個計時器的時間要足夠長，讓消息能夠送達主機B，同時讓確認消息也能夠返回給主機A。
如果在確認消息到達主機A之前，計時器超時了。那么，主機A會認為發送消息的過程中遇到了問題（可能是丟失了，或者網絡堵塞導致包延遲），于是就重傳該消息。
由于這種對消息的確認機制，既包含了對消息已收到的確認應答，也包含了發生超時后對消息的重傳，因此被稱為支持重傳的確認機制（PAR，Positive Acknowledgment with Retransmission）。
基于PAR機制，能夠給數據傳輸提供基本的可靠性保證。
但PAR機制存在一個缺點，就是在任何時候，只能有一條消息是未被確認的。這會使得系統變得非常慢，因為后續消息的發送都得等待前一條消息的確認。
消息標識和發送限制
PAR機制比較適用于傳輸少量數據，或者交互不是很頻繁的協議。由于PAR傳輸效率低下，因此也不適用于像TCP這樣的協議。
為了解決傳輸效率低下的問題，引入了消息標識。
消息標識
當發送方發送消息的時候，為這個消息增加一個唯一標識。接收方在收到消息之后，返回的確認消息也帶上該消息標識。
這樣，發送方就可以針對不同的消息使用不同的標識。發送方可以同時發送多條消息，在收到確認消息之后，只要根據消息標識進行匹配，確認對應的消息即可。
以上，只是從發送方的角度，解決了發送方的發送速率問題（在任何時候，只能有一條消息是未被確認的）。
發送限制
我們再換個角度，原來是發送一個消息，接收方處理完，返回確認消息后，等待下一條消息。這個過程，對于接收方來說，并不會存在什么問題。
在引入消息標識之后，發送方可以同時發送多條消息了。但如果發送過快，接收方可能由于處理不過來，被壓垮了。
因此，對于接收方來說，需要保證在自己能夠正常接收處理數據的情況下，通過一種機制，來通知發送方盡量不要發送得太快，發送的數據盡量按照自己的處理能力來。
比較容易想到的，就是在接收方返回確認消息的時候，將接收方的發送限制信息帶上，傳遞給發送方。
發送方在收到確認消息中的發送限制字段時，就可以按照接收方的要求來控制自己的發送速率。
有了這個發送限制，接收方就可以根據自己的實際負載情況，進行動態反饋以調整發送速率，最優化發送性能。
增加了消息標識和發送限制之后，可以認為是PAR機制的一個增強版。
對于數據的傳輸，現在可以提供可靠性、效率和基本的數據流控了。
TCP面向流的滑動窗口確認
在增加了消息標識和發送限制之后，整個消息的發送和確認過程，已經較為完善了。
但從傳輸的"數據"的角度來看，前面我們講的，其實都是面向消息的。也就是說，發送和確認都是以消息為單位。
而實際上，TCP是面向字節流的，本身并沒有消息的概念。TCP傳輸的數據，我們通常稱之為報文段。具體如何識別并組裝為一條完整的消息，是應用層的工作。
正因為如此，TCP是以字節為單位來處理數據流的。如果要對TCP傳輸的數據做標識，那就需要一個字節給一個標識。
這樣一來，TCP每次就只能發送一個字節的數據，然后每次也只能確認一個字節的數據，這顯然是不合理的。既浪費帶寬，又降低了發送效率。
TCP的設計者確實也沒有這么做，而是將數據劃分為一個個數據段，每次可以發送一段數據。
對于每一段數據，使用一個序號來進行標識。每次確認數據的時候，也是確認一段數據而不是一個字節。
事實上，序號是報文段中數據字節的偏移量，表示數據字節的位置。
TCP緩沖區
設想一個場景，主機A和主機B建立了一個新的連接：
- 主機A有一個很大的數據字節流需要傳輸，但是主機B沒有辦法全部接收；
- 所以主機B限制主機A報文段能夠傳輸的字節數大小，直到已發送的字節被確認；
- 主機B允許主機A發送更多的字節。
所以，每臺主機都需要跟蹤哪些字節已經發送了，哪些字節還沒有發送，哪些已經確認了。這個流程，和前面以消息為單位的發送限制機制很類似。
為此，TCP引入了緩沖區的概念，將發送方的緩沖區，劃分為四個部分。
發送方的緩沖區
如圖所示，發送方的緩沖區，被劃分為四個部分，具體說明如下。
第一部分：已發送，并且已確認的字節
（Bytes Sent And Acknowledged）
對應于圖中的 Category #1 部分，從第1到第31個字節，共31字節。
第二部分：已發送，但尚未確認的字節
（Bytes Sent But Not Yet Acknowledged）
對應于圖中的 Category #2 部分，從第32到第45個字節，共14字節。
第三部分：尚未發送，但可以立即發送的字節
（Bytes Not Yet Sent For Which Recipient Is Ready）
對應于圖中的 Category #3 部分，從第46到第51個字節，共6字節。
這部分，代表發送方當前還可以發送的字節數，也是接收方當前還可以接收的字節數。
第四部分：尚未發送，并且還不能發送的字節
（Bytes Not Yet Sent For Which Recipient Is Not Ready）
對應于圖中的 Category #4 部分，從第52到第95個字節，共44字節。
這部分字節，已經超出了接收方可以接收的最大窗口大小，因此暫不能發送。
發送窗口（Send Window）
黑色方框部分，表示發送窗口（Send Window），通常也簡單的稱為窗口。
發送窗口由兩部分組成，對應于發送緩沖區的第二部分（Category #2，灰色方框內）和第三部分（Category #3，紅色方框內）。
如圖所示，發送窗口大小為20字節，第二、三部分分別為14字節和6字節。
窗口的左邊緣為窗口的第1個字節（第32字節），右邊緣為窗口的最后一個字節（第51字節）。
窗口的左邊緣位置，決定了窗口的右邊緣位置。左邊緣是第一和第二部分的分界線，右邊緣是第三和第四部分的分界線。
發送窗口的大小，決定了發送方可以同時發送的字節數，即未被接收方確認的字節數。
可用窗口（Usable Window）
可用窗口（Usable Window），對應于緩沖區的第三部分（Category #3），即發送方當前仍可以發送的字節數。
發送消息之后窗口的變化
如果在可用窗口內，發送了一些數據，將會改變發送窗口的位置，以及各部分的大小。
在上面的例子中，發送方的可用窗口為6字節。如果發送方將6個字節的數據發送出去，那么這6個字節將會變成未確認狀態，合并到第二部分。
第二部分的范圍變為，從第32到第51個字節，共20個字節。
而可用窗口，即窗口的第三部分，將變為0。這通常被稱為零窗口（Zero Window）。
發送方需要等到有新的確認包到達，才會有可用的窗口可以繼續發送數據。
確認消息之后窗口的變化
接收方成功接收了數據之后，會給發送方返回一個確認包。在確認包中，包含了一個確認序號，用于通知發送方，在這個序號之前的數據都已經成功接收了。（確認序號的主要作用，是用來解決不丟包問題。通知接收端已經接收了哪些數據。）
假設，已發送未確認部分（第32到第45字節），是由4個TCP報文段進行傳輸的。每個報文段的范圍分別為：
- 第一段為32~34字節；
- 第二段為35~36字節;
- 第三段為37~41字節;
- 第四段為42~45字節。
假設第一段、第二段和第四段，都已經成功的發送給接收方了。但是，第三段還沒有送達。
那么，接收方將只能確認第一段和第二段，即第32到第36字節已經接收成功了。而對于第四段，還不能進行確認。
這是因為，TCP采用的是累積確認的機制，確認序號表示在這個序號之前（確認序號值減去1）的數據都已經被成功接收。
由于第三段接收方還沒有收到，因此不能越過這部分，去確認第四段。否則，發送方會認為第三段也已經被成功的接收了。
（事實上，現在的TCP支持SACK機制，如果啟用了，可以支持確認非連續的數據塊。）
發送方在接收到確認包之后，窗口將會向右移動5個字節（第32到36共確認5個字節）。而第32到36字節，將會合并到第一部分，變為已發送已確認狀態。
由于確認了5個字節，窗口右移之后，又新建了一個5個字節的可用窗口（第52到56字節）。
這個過程會在每次發送方接收到確認包時發生，然后窗口會進行相應的移動，以調整緩沖區各部分的大小。（滑動窗口很形象）
有了滑動窗口機制，就可以使用一個確認序號來確認一整段數據。這為TCP面向字節流的服務，提供了可靠性支持，并且不需要為每一個序號的確認而耗費時間。
丟失確認之后窗口的變化
發送方在發送了第52到56字節的數據之后，就停下來不再發送數據了。因為被卡在了第37到41字節上，這個范圍的字節仍然沒有返回確認包。
當然，和PAR機制類似的，TCP也支持超時檢測和重傳數據包。
因此，在計時器超時之后，發送方將重發已丟失的報文段，并希望這一次能夠到達目的地。
非常不幸的是，TCP的累積確認機制，仍存在一個缺點，它并不會獨立的確認每個報文段。
這意味著，TCP有可能會重復發送那些實際已經被接收方成功接收的報文段。
在我們的例子中，第四段（第42到45字節）已經被成功接收。但只要第三段沒有被確認，當超時進行重發時，第四段也會被重發。
