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打工人日报#20251029

news 2025/10/30 7:45:59

打工人日报#20251029

TCP 协议介绍

传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接、可靠的传输层协议，在 TCP/IP 协议族中扮演着核心角色，为应用层提供了稳定的数据传输服务。

1. TCP 协议的特点

面向连接：在数据传输之前，TCP 需要在发送方和接收方之间建立一条逻辑连接。这个过程通过三次握手来完成，确保双方都做好数据传输的准备。连接建立后，数据在这条连接上有序地传输。传输结束后，通过四次挥手来关闭连接，释放相关资源。例如，在进行文件传输时，TCP 会先建立连接，保证文件数据能够准确无误地按顺序传输到接收方。
可靠传输：TCP 通过一系列机制来保证数据的可靠传输。它使用序列号对每个发送的数据段进行编号，接收方通过确认应答（ACK）机制告知发送方已成功接收的数据。如果发送方在一定时间内没有收到确认应答，就会重传数据。此外，TCP 还会对数据进行校验和计算，以检测数据在传输过程中是否出错。例如，在网络不稳定的情况下，部分数据段可能丢失，TCP 的重传机制会确保这些数据段最终能被接收方正确接收。
流量控制：为了防止发送方发送数据过快，导致接收方来不及处理而丢失数据，TCP 采用流量控制机制。接收方通过在确认应答中携带自己的接收窗口大小信息，告知发送方自己当前能够接收的数据量。发送方根据接收方的接收窗口大小来调整自己的发送速率。比如，当接收方处理数据的速度较慢时，会减小接收窗口大小，发送方收到这个信息后就会降低发送速率。
拥塞控制：TCP 能够感知网络的拥塞情况，并采取相应措施来避免网络拥塞。当网络出现拥塞时，路由器可能会丢弃数据包，导致发送方重传数据，进一步加剧拥塞。TCP 通过慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等算法来调整发送窗口大小，从而控制数据发送速率，缓解网络拥塞。例如，在网络拥塞时，TCP 会逐渐降低发送窗口大小，减少数据发送量，直到网络状况改善。

2. TCP 数据段格式

源端口号（Source Port）：2 字节，标识发送端应用程序使用的端口号，用于区分同一主机上的不同应用程序。
目的端口号（Destination Port）：2 字节，指定接收端应用程序的端口号，确保数据能够准确交付给目标应用程序。
序列号（Sequence Number）：4 字节，用于标识 TCP 数据段在数据流中的位置。在连接建立时，发送方会随机选择一个初始序列号，后续发送的数据段序列号依次递增。接收方根据序列号对数据进行排序和重组，确保数据的顺序性。
确认号（Acknowledgment Number）：4 字节，是接收方期望接收的下一个数据段的序列号。当接收方成功接收数据后，会在确认应答中返回确认号，告知发送方已成功接收的数据位置，让发送方知道可以继续发送后续数据。
数据偏移（Data Offset）：4 位，以 4 字节为单位，表示 TCP 首部的长度。由于 TCP 首部可能包含选项字段，长度是可变的，数据偏移字段用于指示首部的实际长度，从而确定数据部分的起始位置。
保留（Reserved）：6 位，保留字段，目前未使用，通常设置为 0。
控制位（Control Bits）：6 位，包含多个控制标志位，用于控制 TCP 连接的建立、数据传输和连接关闭等操作。常见的控制位包括：
SYN（Synchronize）：同步序列号，用于连接建立阶段。SYN = 1 表示这是一个连接请求或连接接受报文。
ACK（Acknowledgment）：确认标志，ACK = 1 时，确认号字段有效，表明接收方已成功接收数据。
FIN（Finish）：结束标志，FIN = 1 表示发送方已完成数据发送，请求关闭连接。
RST（Reset）：复位标志，RST = 1 时，表示连接出现异常，需要重置连接。
窗口大小（Window Size）：2 字节，接收方通过该字段告知发送方自己当前的接收窗口大小，即还能接收多少字节的数据。发送方根据这个窗口大小来调整自己的发送速率，实现流量控制。
校验和（Checksum）：2 字节，用于检测 TCP 数据段在传输过程中是否发生错误。校验和的计算包括 TCP 首部、数据部分以及一个伪首部（包含源 IP 地址、目的 IP 地址、协议字段和 TCP 长度等信息）。接收方通过重新计算校验和来验证数据的完整性。
紧急指针（Urgent Pointer）：2 字节，当 URG 标志位为 1 时，紧急指针字段有效。它指向紧急数据的末尾，告诉接收方在数据流中紧急数据的位置。
选项（Options）：可变长度，用于一些可选功能，如最大段大小（MSS）协商、窗口扩大因子、时间戳等。选项字段以 32 位为边界进行填充，不足部分补 0。

3. TCP 连接的建立与关闭

连接建立（三次握手）：
第一次握手：客户端向服务器发送一个 SYN 报文段，其中包含客户端随机生成的初始序列号（ISN），表示客户端希望与服务器建立连接。
第二次握手：服务器接收到客户端的 SYN 报文段后，向客户端发送一个 SYN + ACK 报文段。该报文段中的 SYN 标志位为 1，确认号为客户端的序列号加 1，同时服务器也随机生成自己的初始序列号，告知客户端自己也准备好建立连接。
第三次握手：客户端接收到服务器的 SYN + ACK 报文段后，向服务器发送一个 ACK 报文段，确认号为服务器的序列号加 1，表明客户端已收到服务器的连接确认。此时，双方的连接建立成功，可以开始数据传输。
连接关闭（四次挥手）：
第一次挥手：主动关闭方（通常是客户端）发送一个 FIN 报文段，FIN 标志位为 1，表示主动关闭方已完成数据发送，请求关闭连接。
第二次挥手：被动关闭方（通常是服务器）接收到 FIN 报文段后，发送一个 ACK 报文段，确认号为主动关闭方的序列号加 1，表明已收到关闭请求，但被动关闭方可能还有数据需要继续发送，所以不会立即关闭连接。
第三次挥手：当被动关闭方完成数据发送后，向主动关闭方发送一个 FIN 报文段，请求关闭连接。
第四次挥手：主动关闭方接收到被动关闭方的 FIN 报文段后，发送一个 ACK 报文段，确认号为被动关闭方的序列号加 1，然后等待一段时间（2MSL，Maximum Segment Lifetime，最大报文生存时间）后关闭连接。被动关闭方收到 ACK 报文段后，也关闭连接。

4. TCP 的应用场景

文件传输：如 FTP（文件传输协议）和 SFTP（安全文件传输协议），需要确保文件的完整性和准确性，TCP 的可靠传输特性能够保证文件在传输过程中不丢失、不损坏，并且按顺序到达接收方。
电子邮件：SMTP（简单邮件传输协议）用于发送邮件，POP3（邮局协议版本 3）和 IMAP（互联网消息访问协议）用于接收邮件，这些协议都依赖 TCP 来保证邮件数据的可靠传输，避免邮件内容出现错误或丢失。
网页浏览：HTTP（超文本传输协议）在传输网页数据时，通常使用 TCP 协议。浏览器与服务器之间通过 TCP 连接进行通信，确保网页的文本、图片、视频等资源能够完整、正确地传输到浏览器端显示。