tcp传输协议机制

强关联博客：TCP协议报头及各个字段的作用-CSDN博客

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[一. 三次握手建立连接](#一. 三次握手建立连接)

1、字段

2、三次握手过程

[1. 第一次握手：客户端发送 SYN 报文](#1. 第一次握手：客户端发送 SYN 报文)

[2、第二次握手：服务器回应 SYN-ACK 报文](#2、第二次握手：服务器回应 SYN-ACK 报文)

[3.第三次握手：客户端发送 ACK 报文](#3.第三次握手：客户端发送 ACK 报文)

3、三次握手的总结

4、为什么需要三次握手？

[二. 可靠数据传输](#二. 可靠数据传输)

[(1) 序列号和确认号](#(1) 序列号和确认号)

[(2) 重传机制](#(2) 重传机制)

[(3) 校验和](#(3) 校验和)

[三. 流量控制](#三. 流量控制)

[(1) 接收窗口](#(1) 接收窗口)

[(2) 滑动窗口机制](#(2) 滑动窗口机制)

[四. 拥塞控制](#四. 拥塞控制)

[(1) 慢启动](#(1) 慢启动)

[(2) 拥塞避免](#(2) 拥塞避免)

[(3) 快重传和快恢复](#(3) 快重传和快恢复)

[五. 四次挥手断开连接](#五. 四次挥手断开连接)

[(1) 第一次挥手：FIN](#(1) 第一次挥手：FIN)

[(2) 第二次挥手：ACK](#(2) 第二次挥手：ACK)

[(3) 第三次挥手：FIN](#(3) 第三次挥手：FIN)

[(4) 第四次挥手：ACK](#(4) 第四次挥手：ACK)

六、确认应答(ACK)机制

[1. ACK 机制的基本原理](#1. ACK 机制的基本原理)

[2. ACK 机制的工作流程](#2. ACK 机制的工作流程)

[3. ACK 机制的细节](#3. ACK 机制的细节)

[(1) 累积确认](#(1) 累积确认)

[(2) 延迟确认](#(2) 延迟确认)

[(3) 选择性确认（SACK）](#(3) 选择性确认（SACK）)

[4. ACK 机制的作用](#4. ACK 机制的作用)

[5. ACK 机制的示例](#5. ACK 机制的示例)

总结

一. 三次握手建立连接

1、字段

在数据传输前，TCP通过三次握手确保双方准备好通信：

SYN：客户端发送SYN报文，包含初始序列号（ISN）。
SYN-ACK：服务器回应SYN-ACK报文，确认客户端的SYN，并发送自己的ISN。
ACK：客户端发送ACK报文，确认服务器的SYN。

2、三次握手过程

1. 第一次握手：客户端发送 SYN 报文

客户端行为：
- 客户端希望与服务器建立 TCP 连接，首先发送一个 SYN 报文（Synchronize Sequence Numbers）。
- 该报文包含以下关键信息：
  - SYN 标志位：设置为 1，表示这是一个同步报文。
  - 初始序列号（ISN, Initial Sequence Number）：客户端随机生成的一个序列号（例如，ISN = 1000），用于标识数据字节流的起始位置。
- 客户端进入 SYN_SENT 状态，等待服务器的确认。

2、第二次握手：服务器回应 SYN-ACK 报文

服务器行为：
服务器收到客户端的 SYN 报文后，会检查是否可以接受该连接请求。
如果接受，服务器会发送一个 SYN-ACK 报文 ，包含以下关键信息：
- 服务器的初始序列号（ISN）：服务器随机生成的一个序列号（例如，ISN = 5000），用于标识服务器数据字节流的起始位置。
- 确认号（Acknowledgment Number）：值为客户端 ISN + 1（例如，1000 + 1 = 1001），表示服务器期望接收的下一个字节的序列号。
- ACK 标志位：设置为 1，表示确认客户端的 SYN 报文。
- SYN 标志位：设置为 1，表示服务器也在同步自己的序列号。
- 服务器进入 SYN_RECEIVED 状态，等待客户端的确认。

3.第三次握手：客户端发送 ACK 报文

客户端行为：
- 客户端收到服务器的 SYN-ACK 报文后，会检查确认号是否正确（即是否为客户端 ISN + 1）。
- 如果正确，客户端会发送一个 ACK 报文，包含以下关键信息：
  - ACK 标志位：设置为 1，表示确认服务器的 SYN 报文。
  - 确认号（Acknowledgment Number）：值为服务器 ISN + 1（例如，5000 + 1 = 5001），表示客户端期望接收的下一个字节的序列号。
- 客户端进入 ESTABLISHED 状态，表示连接已建立。
- 服务器行为：
  - 服务器收到客户端的 ACK 报文后，检查确认号是否正确（即是否为服务器 ISN + 1）。
  - 如果正确，服务器也进入 ESTABLISHED 状态，表示连接已建立。

3、三次握手的总结

第一次握手：
- 客户端发送 SYN 报文，携带自己的初始序列号（ISN）。
- 目的是告诉服务器："我想和你建立连接，我的序列号从 ISN 开始。"
第二次握手：
- 服务器回应 SYN-ACK 报文，携带自己的初始序列号（ISN），并确认客户端的 SYN 报文。
- 目的是告诉客户端："我收到了你的请求，同意建立连接，我的序列号从 ISN 开始。"
第三次握手：
- 客户端发送 ACK 报文，确认服务器的 SYN 报文。
- 目的是告诉服务器："我收到了你的确认，连接已建立。"

4、为什么需要三次握手？

确保双方都能发送和接收数据：
- 三次握手确保客户端和服务器都能正常发送和接收数据，验证了双向通信的能力。
防止旧的重复连接初始化：
- 如果网络中存在延迟的旧 SYN 报文，三次握手可以避免错误地建立连接。
同步初始序列号（ISN）：
- 三次握手确保双方都知道了对方的初始序列号，为后续可靠数据传输奠定基础。

二. 可靠数据传输

TCP 通过以下机制确保数据可靠传输：

(1) 序列号和确认号

序列号（Sequence Number）：
- 每个字节的数据都有一个唯一的序列号，用于标识数据在字节流中的位置。
- 例如，如果初始序列号（ISN）为 1000，那么第一个字节的序列号为 1000，第二个字节为 1001，依此类推。
确认号（Acknowledgment Number）：
- 接收方通过确认号告知发送方已成功接收的数据。
- 确认号的值是接收方期望接收的下一个字节的序列号。例如，如果接收方收到序列号为 1000-1999 的数据，它会发送确认号 2000，表示期望接收序列号为 2000 的数据。
作用：
- 确保数据按顺序到达，并且没有丢失或重复。

(2) 重传机制

超时重传：
- 发送方发送数据后，会启动一个定时器。如果在规定时间内未收到确认（ACK），发送方会重传该数据。
快速重传：
- 如果接收方收到乱序的数据（例如，收到序列号为 2000 的数据，但未收到 1000-1999 的数据），它会重复发送对缺失数据的确认（即重复 ACK）。
- 发送方收到 3 个重复的 ACK 后，会立即重传缺失的数据，而不等待超时。
作用：
- 确保数据在网络中丢失时能够被及时恢复。

(3) 校验和

校验和字段：
- TCP 报文头中包含一个 16 位的校验和字段，用于检测数据在传输过程中是否发生错误。
计算方式：
- 发送方对报文头和数据进行计算，生成校验和。
- 接收方收到数据后，重新计算校验和，并与报文头中的校验和进行比对。如果不一致，则丢弃该数据。
作用：
- 确保数据的完整性，防止传输过程中出现错误。

三. 流量控制

TCP 通过滑动窗口机制控制发送速率，防止接收方缓冲区溢出：

(1) 接收窗口

接收窗口大小：
- 接收方通过 TCP 报文头中的窗口字段（Window Size）通告其可用缓冲区大小。
- 例如，如果接收窗口大小为 5000 字节，表示接收方当前只能接收 5000 字节的数据。
动态调整：
- 接收方会根据缓冲区使用情况动态调整窗口大小，并通过 ACK 报文通知发送方。

(2) 滑动窗口机制

发送窗口：
- 发送方根据接收窗口大小调整自己的发送窗口，确保发送的数据量不超过接收方的处理能力。
滑动原理：
- 当发送方收到接收方的确认后，发送窗口会向前滑动，允许发送新的数据。
作用：
- 防止接收方缓冲区溢出，同时提高网络利用率。

四. 拥塞控制

TCP 通过拥塞控制算法避免网络过载：

(1) 慢启动

初始阶段：
- 发送方从较小的拥塞窗口（Congestion Window, cwnd）开始，通常为 1 个 MSS（最大报文段大小）。
指数增长：
- 每收到一个 ACK，拥塞窗口大小加倍，直到达到慢启动阈值（ssthresh）。

(2) 拥塞避免

线性增长：
- 当拥塞窗口达到慢启动阈值后，进入拥塞避免阶段，窗口大小每经过一个往返时间（RTT）增加 1 个 MSS。
目的：
- 避免窗口增长过快导致网络拥塞。

(3) 快重传和快恢复

快重传：
- 当发送方收到 3 个重复的 ACK 时，立即重传丢失的数据，而不等待超时。
快恢复：
- 在快重传后，发送方将拥塞窗口减半，并直接进入拥塞避免阶段，而不是从慢启动开始。
作用：
- 快速检测和恢复丢包，减少网络拥塞的影响。

五. 四次挥手断开连接

TCP 通过四次挥手终止连接：

(1) 第一次挥手：FIN

主动关闭方（例如客户端）发送 FIN 报文，表示数据发送完毕，请求关闭连接。
客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。

(2) 第二次挥手：ACK

被动关闭方（例如服务器）收到 FIN 报文后，发送 ACK 报文确认。
服务器进入 CLOSE_WAIT 状态，客户端进入 FIN_WAIT_2 状态。

(3) 第三次挥手：FIN

服务器完成数据发送后，发送自己的 FIN 报文，请求关闭连接。
服务器进入 LAST_ACK 状态。

(4) 第四次挥手：ACK

客户端收到服务器的 FIN 报文后，发送 ACK 报文确认。
客户端进入 TIME_WAIT 状态，等待 2 个 MSL（最大报文段生存时间）后关闭连接。
服务器收到 ACK 后，立即关闭连接。

六、确认应答(ACK)机制

1. ACK 机制的基本原理

确认号（Acknowledgment Number）：
接收方通过确认号告知发送方已经成功接收的数据。
- 确认号的值是接收方期望接收的下一个字节的序列号。例如，如果接收方成功接收了序列号为 1000-1999 的数据，它会发送确认号 2000，表示期望接收序列号为 2000 的数据。
ACK 标志位：
- 在 TCP 报文头中，ACK 标志位用于指示该报文是一个确认报文。
- 当 ACK 标志位为 1 时，确认号字段才有效。

2. ACK 机制的工作流程

发送数据：
- 发送方发送一个数据报文，报文中包含序列号（Sequence Number），用于标识数据的起始位置。
接收数据：
- 接收方收到数据后，检查数据的完整性和顺序性。
- 如果数据正确，接收方会发送一个 ACK 报文，报文中包含确认号（Acknowledgment Number），表示已经成功接收的数据。
确认数据：
- 发送方收到 ACK 报文后，根据确认号更新自己的发送窗口，继续发送后续数据。

3. ACK 机制的细节

(1) 累积确认

TCP 使用累积确认机制，即接收方发送的确认号表示已经成功接收的所有数据。
例如：
- 接收方收到序列号为 1000-1999 的数据后，发送确认号 2000。
- 如果接收方后续收到序列号为 2000-2999 的数据，它会发送确认号 3000，而不是分别确认 1000-1999 和 2000-2999。
优点：
- 减少确认报文的数量，提高网络效率。

(2) 延迟确认

为了进一步减少确认报文的数量，TCP 实现了延迟确认机制。
工作原理：
- 接收方在收到数据后，不会立即发送 ACK，而是等待一段时间（通常为 200ms），看看是否有数据需要一起发送。
- 如果在等待期间有数据需要发送，接收方会将 ACK 和数据一起发送。
优点：
- 减少网络中的小报文数量，提高网络利用率。

(3) 选择性确认（SACK）

在某些情况下，接收方可能会收到乱序的数据。为了更高效地处理这种情况，TCP 提供了选择性确认（SACK）机制。
工作原理：
- 接收方通过 SACK 选项告知发送方已经成功接收的非连续数据块。
- 发送方根据 SACK 信息只重传丢失的数据，而不是重传所有数据。
优点：
- 提高重传效率，减少不必要的重传。

4. ACK 机制的作用

确保数据可靠传输：
- 通过确认号，发送方可以知道接收方已经成功接收了哪些数据。
- 如果发送方未收到 ACK，会触发重传机制，确保数据不会丢失。
控制流量：
- 接收方通过 ACK 报文中的窗口字段（Window Size）通告自己的接收能力。
- 发送方根据窗口大小调整发送速率，防止接收方缓冲区溢出。
实现拥塞控制：
- 发送方根据 ACK 的到达情况判断网络拥塞程度。
- 如果 ACK 延迟到达或未到达，发送方会减少发送速率，避免网络拥塞。

5. ACK 机制的示例

假设客户端和服务器之间进行数据传输：

客户端发送数据：
- 客户端发送序列号为 1000-1999 的数据。
服务器确认数据：
- 服务器成功接收数据后，发送 ACK 报文，确认号为 2000。
客户端继续发送数据：
- 客户端收到 ACK 后，继续发送序列号为 2000-2999 的数据。
服务器确认数据：
- 服务器成功接收数据后，发送 ACK 报文，确认号为 3000。

总结

可靠数据传输：通过序列号、确认号、重传机制和校验和确保数据可靠传输。
流量控制：通过滑动窗口机制动态调整发送速率，防止接收方缓冲区溢出。
拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复算法避免网络拥塞。
四次挥手：通过四次挥手优雅地关闭连接。
其他机制：保活机制和延迟确认进一步优化了 TCP 的性能和可靠性。
核心功能：通过确认号确保数据的可靠传输。
优化机制：累积确认、延迟确认和选择性确认（SACK）进一步提高了 ACK 机制的效率。
与其他机制的协同：ACK 机制与重传机制、流量控制和拥塞控制紧密结合，共同保证了 TCP 协议的高效性和可靠性。
这些机制共同保证了 TCP 协议的高效性、可靠性和健壮性。