计算机网络---传输控制协议Transmission Control Protocol（TCP)

一、TCP的定位与核心特性

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是TCP/IP协议栈中传输层的核心协议，与UDP（用户数据报协议）共同承担端到端数据传输功能。其设计目标是在不可靠的IP网络上提供可靠、有序、面向连接的字节流服务，是互联网中绝大多数应用（如HTTP、FTP、SMTP等）的基础。

与UDP相比，TCP的核心特性差异如下：

• 面向连接：通信前需通过“三次握手”建立连接，结束后需“四次挥手”释放连接；UDP无连接。
• 可靠传输：通过序号、确认、重传等机制确保数据不丢失、不重复、按序到达；UDP不保证可靠性。
• 字节流服务：将应用层数据视为连续字节流，无消息边界；UDP保留消息边界。
• 流量控制与拥塞控制：通过滑动窗口避免接收方缓冲区溢出，通过拥塞算法避免网络拥塞；UDP无此类机制。
• 适用于场景：对可靠性要求高（如文件传输、网页加载）；UDP适用于实时性要求高（如视频通话、游戏）。

二、TCP报文结构

TCP报文由首部和数据两部分组成，首部最小20字节，最大60字节（含选项字段）。各字段含义如下：

字段	长度（字节）	含义
源端口/目的端口	2/2	标识发送端和接收端的应用进程（如HTTP默认80端口）。
序号（Sequence Number）	4	本报文数据段第一个字节的序号（用于按序重组和去重）。
确认号（Acknowledgment Number）	4	期望接收的下一字节序号（仅当ACK=1时有效，即确认已收到序号≤（确认号-1）的数据）。
数据偏移（Header Length）	4位	表示TCP首部长度（以32位字为单位，最小值5（20字节），最大值15（60字节））。
保留位	6位	预留未来使用，目前需设为0。
控制位（Flags）	6位	共6个标志位：URG（紧急指针有效）、ACK（确认号有效）、PSH（推数据至应用层）、RST（重置连接）、SYN（同步序号，建立连接）、FIN（终止连接）。
窗口大小（Window）	2字节	接收窗口（rwnd），告知发送方可接收的字节数（流量控制核心字段）。
校验和（Checksum）	2字节	用于检测报文段在传输中是否损坏（覆盖伪首部、TCP首部、数据）。
紧急指针（Urgent Pointer）	2字节	当URG=1时有效，指示紧急数据在报文段中的偏移量（紧急数据优先处理）。
选项（Options）	0-40字节	可选字段，如MSS（最大报文段长度）、SACK（选择确认）、Window Scale（窗口扩大因子）等。

三、TCP连接管理

TCP是“面向连接”的协议，连接管理包含建立连接（三次握手） 和释放连接（四次挥手） 两个过程，通过控制位（SYN、ACK、FIN）实现。

1. 三次握手（建立连接）

三次握手的目标是：① 确保双方收发能力正常；② 协商初始序号（ISN）；③ 同步连接状态。流程如下：

• 第一次握手：客户端 → 服务器
  发送SYN报文（SYN=1，ACK=0），携带客户端初始序号ISN_c（如x）。此时客户端进入SYN_SENT状态。

• 第二次握手：服务器 → 客户端
  服务器收到SYN后，回复SYN+ACK报文（SYN=1，ACK=1），携带服务器初始序号ISN_s（如y），并确认客户端序号（确认号=ISN_c+1=x+1）。此时服务器进入SYN_RCVD状态。

• 第三次握手：客户端 → 服务器
  客户端收到SYN+ACK后，发送ACK报文（ACK=1），确认服务器序号（确认号=ISN_s+1=y+1）。此时客户端进入ESTABLISHED状态；服务器收到ACK后也进入ESTABLISHED状态，连接建立。

为何需要三次握手？

• 防止“过期连接请求”干扰：若客户端的SYN报文因网络延迟到达服务器，服务器会误以为是新连接并回复SYN+ACK。若仅两次握手，服务器会直接建立连接并等待数据，但客户端已丢弃该过期请求，导致服务器资源浪费。三次握手通过客户端的最终ACK，确保双方确认“当前连接有效”。

用最简单的例子解释为什么需要三次握手：
A: 喂，能听见吗？
B: 能听见，你能听见我吗？
A: 能听见。

2. 四次挥手（释放连接）

TCP支持“半关闭”（一方关闭发送后仍可接收数据），因此释放连接需四次交互：

• 第一次挥手：客户端 → 服务器
  客户端主动关闭，发送FIN报文（FIN=1，ACK=1），表示不再发送数据（但可接收），携带序号u（最后发送字节的序号+1）。客户端进入FIN_WAIT_1状态。

• 第二次挥手：服务器 → 客户端
  服务器收到FIN后，回复ACK报文（ACK=1），确认号=u+1，告知客户端“已收到关闭请求”。服务器进入CLOSE_WAIT状态，客户端进入FIN_WAIT_2状态（等待服务器剩余数据）。

• 第三次挥手：服务器 → 客户端
  服务器发送完剩余数据后，发送FIN报文（FIN=1，ACK=1），携带序号v（服务器最后发送字节的序号+1），确认号=u+1（与第二次挥手一致）。服务器进入LAST_ACK状态。

• 第四次挥手：客户端 → 服务器
  客户端收到FIN后，回复ACK报文（ACK=1），确认号=v+1，客户端进入TIME_WAIT状态；服务器收到ACK后进入CLOSED状态。客户端等待2MSL（最大报文段寿命，通常为1-2分钟）后，也进入CLOSED状态，释放连接。

四次挥手：
A：再见
B：收到
B：再见
A：收到

关键细节：

• 为何四次挥手？ 第二次挥手（ACK）和第三次挥手（FIN）无法合并，因为服务器可能还有数据需发送（半关闭状态）。
• TIME_WAIT状态：持续2MSL（确保最后一个ACK被服务器收到；防止旧报文干扰新连接）。若服务器未收到ACK，会重发FIN，客户端需在TIME_WAIT内处理。

3. TCP状态机

连接管理的状态转换可通过状态机描述，核心状态包括：

• 客户端：CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED
• 服务器：CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

异常状态：RST（重置连接，用于处理错误，如连接不存在时强制关闭）。

四、TCP可靠传输机制

TCP通过多重机制确保数据“可靠传输”（不丢失、不重复、按序到达），核心包括序号与确认、超时重传、快速重传与恢复、选择确认（SACK） 等。

1. 序号与确认机制

• 序号：每个字节数据分配唯一序号（初始为ISN，后续按字节递增）。例如，若ISN=100，发送50字节数据，序号为100-149，下一个序号为150。
• 确认号：采用“累计确认”，表示“已正确接收序号≤（确认号-1）的所有数据”，期望接收确认号对应的字节。例如，收到序号100-149的数据，确认号为150。

2. 超时重传

当发送方未在规定时间内收到确认，会重传该数据，关键是超时时间（RTO） 的计算：

• RTO需动态调整（基于RTT，往返时间）：
  • 样本RTT（SampleRTT）：单次报文往返时间；
  • 平滑RTT（SRTT）：SRTT = (1-α)×SRTT + α×SampleRTT（α通常为0.125）；
  • RTT偏差（RTTVAR）：RTTVAR = (1-β)×RTTVAR + β×|SampleRTT - SRTT|（β通常为0.25）；
  • 最终RTO = SRTT + 4×RTTVAR（确保97%的RTT落在RTO内）。

3. 快速重传与快速恢复

• 快速重传：当发送方收到3个重复确认（确认号相同），无需等待超时，立即重传未被确认的报文（推断该报文已丢失）。
• 快速恢复：重传后不执行慢启动（避免网络拥塞加剧），而是将拥塞窗口（cwnd）设为慢启动阈值（ssthresh），直接进入拥塞避免阶段。

4. 选择确认（SACK）

累计确认的缺陷：若中间报文丢失，后续报文即使到达也无法被单独确认。SACK通过选项字段告知发送方“已接收的非连续数据块”，发送方仅重传丢失部分。例如，接收方收到1-100、201-300，SACK会标记这两个区间，发送方仅重传101-200。

五、流量控制

流量控制用于防止发送方速率超过接收方处理能力，基于“滑动窗口机制”，通过接收窗口（rwnd）实现。

1. 滑动窗口原理

• 发送窗口：发送方可发送但未确认的数据范围，大小由接收窗口（rwnd）和拥塞窗口（cwnd）共同决定（发送窗口=min(rwnd, cwnd)）。
• 接收窗口：接收方缓冲区剩余空间（rwnd = 接收缓冲区大小 - 已接收未读取数据量），通过TCP报文的“窗口大小”字段告知发送方。

窗口分为三部分：

• 已发送且确认：序号≤已确认序号；
• 已发送未确认：序号在已确认序号+1 至 发送窗口左沿-1；
• 未发送但可发送：序号在发送窗口左沿 至 发送窗口右沿-1；
• 不可发送：序号≥发送窗口右沿。

2. 窗口动态调整

• 接收方随缓冲区使用情况更新rwnd（若缓冲区满，rwnd=0）；
• 发送方根据rwnd调整发送窗口：若rwnd=0，发送方停止发送，定期发送“零窗口探测报文”（1字节），接收方回复新的rwnd后恢复发送。

六、拥塞控制

拥塞控制用于防止发送方速率超过网络承载能力（避免网络拥塞导致丢包），核心是通过调整拥塞窗口（cwnd） 控制发送速率，涉及四大算法：慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复。

1. 核心参数

• 拥塞窗口（cwnd）：发送方根据网络拥塞状态动态调整的窗口（初始为1MSS）；
• 慢启动阈值（ssthresh）：cwnd增长的临界点（初始为较大值，如65535字节）。

2. 算法流程

• 慢启动：cwnd从1MSS开始，每收到一个确认（或每经过一个RTT），cwnd翻倍（指数增长），直到cwnd达到ssthresh，进入拥塞避免阶段。
• 拥塞避免：cwnd每经过一个RTT增加1MSS（线性增长），降低拥塞风险。
• 拥塞处理：
  • 若超时重传（严重拥塞）：ssthresh = cwnd/2，cwnd重置为1MSS，重新慢启动；
  • 若收到3个重复确认（轻度拥塞）：触发快重传，ssthresh = cwnd/2，cwnd = ssthresh，进入拥塞避免（快恢复）。

七、其他重要特性

1. 面向字节流：TCP将应用数据视为连续字节流，无消息边界，应用层需自行处理数据分割（如通过长度字段或分隔符）。
2. 最大报文段长度（MSS）：TCP报文段最大数据部分长度（MSS = MTU - IP首部长度 - TCP首部长度，以太网中通常为1460字节），在三次握手的SYN报文中协商。
3. Nagle算法：减少小报文数量（如连续发送多个1字节数据），规则是：未确认数据时，仅当数据达MSS或收到确认，才发送。可通过TCP_NODELAY选项关闭（适用于实时性场景，如SSH）。
4. 延迟确认：接收方不立即回复ACK，而是延迟500ms（或在发送数据时一并确认），减少ACK数量。若500ms内收到新数据，会合并确认。

八、常见问题与优化

1. 粘包问题：TCP字节流无边界，导致应用层收到的数据可能合并（粘包）或拆分。解决方法：

   • 固定长度：每个消息固定大小；
   • 分隔符：用特殊字符（如\r\n）分隔消息；
   • 长度前缀：消息头部包含长度字段。

2. TIME_WAIT积累：高并发场景下，大量TIME_WAIT状态连接会占用端口。优化方案：

   • 开启SO_REUSEADDR：允许端口快速复用；
   • 缩短TIME_WAIT时长（如调整net.ipv4.tcp_fin_timeout）。

3. 拥塞控制优化：传统算法（如Reno）在高带宽延迟网络（如卫星链路）效率低，现代算法如BBR（基于带宽和延迟）、CUBIC（基于三次函数增长）可提升性能。

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TCP是互联网可靠传输的基石，通过三次握手建立连接、四次挥手释放连接，结合序号确认、超时重传、SACK等机制确保可靠性，通过滑动窗口实现流量控制，通过慢启动、拥塞避免等算法实现拥塞控制。理解TCP的核心机制，对网络编程、性能优化及问题排查至关重要。其设计兼顾了可靠性与效率，是计算机网络中最复杂且应用最广泛的协议之一。