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TCP核心机制

news 来源：原创 2025/5/14 6:46:35

1. TCP五大核心机制

1.1. 顺序问题（稳重不乱）

背景：网络传输中数据包可能因路径不同或网络波动导致乱序到达，需保证接收方能按正确顺序处理数据。

原理：

序列号（Sequence Number）：每个数据包携带唯一序列号，接收方按序号重组数据。
累积确认（Cumulative ACK）：接收方通过ACK确认“已收到的最大连续序号”，例如ACK=6表示1-5号包已按序接收。
缓存乱序包：接收方缓存非连续包，待缺失包到达后一并处理。

关键技术：

快速重传（Fast Retransmit）：收到3次重复ACK（如ACK=5），立即重传缺失包（6号包）。
SACK（Selective Acknowledgment）：通过扩展选项标记已接收的非连续包范围（如SACK=8-9），帮助发送方精准重传。

在 TCP 里，接收端会给发送端报一个窗口的大小，叫Advertised window。

发送端需要保持下面的数据结构：

接受端需要保持下面的数据结构：

1.2. 丢包问题（承诺靠谱）

背景：网络拥塞或链路故障可能导致数据包丢失，需确保数据可靠传输。

原理：

超时重传（Retransmission Timeout, RTO）：

RTT采样：动态计算往返时间（Round-Trip Time），加权平均历史值（SRTT）。

自适应超时：超时时间 = SRTT + 4×RTT波动值（RTTVAR），避免过早或过晚重传。

指数退避：超时后重传时间加倍（如2×RTO），防止加剧拥塞。

快速重传：触发条件为收到3次重复ACK，无需等待超时。
SACK

示例：

发送方发送包6-9，若包7丢失，接收方持续发送ACK=6；发送方收到3次ACK=6后，立即重传包7。

1.3. 连接维护（有始有终）

背景：TCP是面向连接的协议，需明确建立和释放连接，防止资源泄漏。

原理：

三次握手（建立连接）：

SYN：客户端发送初始序列号（seq=x）。
SYN-ACK：服务端确认x+1（ack=x+1），并发送初始序列号（seq=y）。
ACK：客户端确认y+1（ack=y+1），双方进入ESTABLISHED状态。

为什么不是两次？：防止历史SYN包导致无效连接（如网络延迟的重传包）。

四次挥手（释放连接）：

FIN：主动方发送终止请求。
ACK：被动方确认。
FIN：被动方处理完数据后发送终止请求。
ACK：主动方确认，进入TIME_WAIT状态（等待2MSL）。

TIME_WAIT作用：确保最后一个ACK到达，避免旧连接数据干扰新连接。

异常处理：

Keepalive机制：长时间无数据时发送探测包，检测连接存活。
RST包：强制终止异常连接（如对方进程崩溃）。

1.4. 流量控制（把握分寸）

背景：防止发送速率超过接收方处理能力，导致缓冲区溢出。

原理：

滑动窗口（Sliding Window）：

接收窗口（rwnd）：接收方通过ACK告知剩余缓冲区大小（Advertised Window）。

发送窗口：发送方限制未确认数据量 ≤ min(rwnd, cwnd)。

关键策略：

零窗口探测：当rwnd=0时，发送方定期发送1字节探测包，避免死锁。
糊涂窗口综合征避免：接收方在缓冲区有足够空间（如≥1MSS）时才更新窗口。

示例：

接收方缓冲区满时，发送ACK携带rwnd=0，发送方暂停发送；待接收方处理数据后，通过ACK更新rwnd恢复传输。

1.5. 拥塞控制（知进知退）

背景：防止发送速率超过网络承载能力，导致全局性丢包和拥塞崩溃。

原理：

拥塞窗口（cwnd）：动态调整的发送速率上限，与rwnd共同限制发送量。
核心算法：

慢启动（Slow Start）：

初始cwnd=1 MSS，每RTT指数增长（cwnd×2）。

当cwnd≥ssthresh（慢启动阈值，默认65535字节）时进入拥塞避免。

拥塞避免（Congestion Avoidance）：

每RTT线性增长（cwnd += 1 MSS）。

快重传与快恢复：

收到3次重复ACK时，ssthresh=cwnd/2，cwnd=ssthresh+3，进入线性增长。

超时重传：

ssthresh=cwnd/2，cwnd=1，重新慢启动。

优化算法（如BBR）：

带宽与时延探测：动态计算最大带宽（BtlBw）和最小RTT（RTprop），按BtlBw×RTprop设置cwnd，避免填满中间设备缓存。

示例：

网络拥塞时，传统TCP通过丢包触发降速；BBR通过测量带宽和时延主动调整，保持高吞吐和低延迟。

总结：

机制	核心目标	关键技术	关键参数/算法
顺序问题	数据按序到达	序列号、累积确认、SACK	快速重传、SACK选项
丢包问题	数据可靠传输	超时重传、快速重传	RTT计算、指数退避
连接维护	明确连接生命周期	三次握手、四次挥手、TIME_WAIT	Keepalive、RST
流量控制	匹配发送与接收速率	滑动窗口、零窗口探测	rwnd、MSS
拥塞控制	避免网络过载	慢启动、拥塞避免、快恢复、BBR	cwnd、ssthresh、BtlBw、RTprop