计算机网络学习（五）——TCP

一、TCP

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是面向连接的、可靠的、字节流服务的传输层协议 ，在计算机网络中广泛用于可靠数据传输，如网页加载、文件传输、电子邮件、远程登录等。

TCP 主要用于在两个主机之间建立稳定连接，确保数据完整、按序、无重复地传输，是现代网络中最关键的传输协议之一。

核心特点：

特性	说明
面向连接	在通信前必须先建立连接（三次握手）
可靠传输	确保数据不丢失、不重复、按顺序到达（确认与重传）
全双工通信	双方可同时发送和接收数据（使用独立的发送/接收缓冲区）
字节流服务	数据被当作无结构的字节流发送，传输过程透明
流量控制	控制发送速率，避免接收方被"淹没"
拥塞控制	避免过多数据注入网络导致拥堵

二、TCP 的通信过程

1. 建立连接（三次握手）

text 复制代码

Client                          Server
  | --------- SYN ------------> |
  | <-------- SYN+ACK -------- |
  | --------- ACK ------------> |

第一次：客户端发送 SYN 报文 ，请求建立连接，附带初始序列号 Seq=x；
第二次：服务器回复 SYN + ACK 表示同意，附带初始序列号 Seq=y；
第三次：客户端发送 ACK 确认，连接建立。

三次握手确保双方都准备好通信，防止失效连接被误认为有效。

2. 数据传输（确认机制）

TCP 将数据分段发送，每个段都有序号（Seq）和确认号（Ack）；
接收方对收到的数据发送 ACK 确认；
若发送方长时间未收到确认，则进行重传。

3. 连接释放（四次挥手）

text 复制代码

Client                          Server
  | -------- FIN -------------> |
  | <------- ACK -------------- |
  | <-------- FIN ------------- |
  | -------- ACK -------------> |

第一次：客户端 发送 FIN，请求关闭；
第二次：服务器回应 ACK ，进入 CLOSE_WAIT 状态；
第三次：服务器 准备好后发送 FIN；
第四次：客户端回应 ACK，进入 TIME_WAIT 状态，等待一段时间后关闭连接。

每一方单独关闭发送方向，需要 4 个分组完成关闭，双方完全关闭后，连接释放。

三、TCP 报文段结构（重点字段）

TCP报文段结构：

其中，重点字段的作用：

字段	作用
源端口/目标端口	标识应用进程
序号 Seq	标识数据的位置
确认号 Ack	指明希望下一个收到的字节编号
标志位 Flags	`SYN`、`ACK`、`FIN`、`RST` 等
窗口大小	控制对方最多发送多少字节（流量控制）
校验和	数据完整性验证
可选字段	时间戳、窗口扩展等

四、TCP 的重传机制

在计算机网络中，TCP（传输控制协议）是一种面向连接、可靠的传输层协议 。

为了保证数据的可靠性，TCP 提供了 重传机制 ，即当某个数据包在传输过程中丢失或出现错误时，会进行 重新发送。

1. TCP 重传的触发机制

TCP 重传一般由以下几种情况触发：

（1）超时重传（Timeout Retransmission）

每个 TCP 发送的数据包都会设置一个定时器；
如果在指定时间内未收到 ACK（确认应答），就认为该包可能丢失；
超时后进行重传。

关键参数：

RTO（Retransmission Timeout，重传超时时间）是根据 RTT（往返时延）动态估算出来的，遵循如下公式：

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RTO = SRTT + max(G, 4 * RTTVAR)

SRTT：平滑往返时间估计
RTTVAR：RTT 偏差
G：时钟粒度

（2）快速重传（Fast Retransmit）

接收方如果收到乱序的数据包，会重复发送对前一个正确数据包的 ACK；
发送方如果连续收到三个重复的 ACK，就认为这个包可能丢失；
此时不等超时，立即重传丢失的数据包。

这是 TCP 的一个优化策略，用于加快丢包检测速度。

2. 选择性重传（Selective Repeat）

传统的 TCP 只支持基于累计确认的重传方式，但为了提高效率，现代 TCP 实现中引入了：

SACK（Selective Acknowledgment）：

接收方可以告诉发送方：我虽然丢了某个包，但其他后续包我都收到了；
发送方可以只重传丢失的数据包，避免重传已收到的部分，提升效率。

3. 重传相关的 TCP 状态与字段

TCP 报文段头部中涉及以下关键字段来配合重传机制：

序号（Sequence Number）： 标识发送的数据位置；
确认号（Acknowledgment Number）： 告知发送方已经成功接收到的数据；
窗口大小（Window Size）： 用于流量控制；
ACK 标志位： 表示确认应答；
SACK（选择性确认）： 允许接收方告诉发送方哪些乱序包已经收到，从而支持"选择性重传"（Selective Retransmission）。

五、TCP 的流量控制------滑动窗口机制

TCP（Transmission Control Protocol）中的滑动窗口机制 是实现流量控制 和可靠传输 的核心机制之一。它允许 TCP 在不等待确认的情况下发送多个数据包，从而提高网络吞吐量，并根据接收端的处理能力动态调整发送速率。

1. 滑动窗口

滑动窗口是 TCP 中用来控制数据传输的一种机制，它定义了在未收到确认的前提下，发送方最多可以连续发送的字节数。

它包括：

发送窗口（Send Window）；
接收窗口（Receive Window）；
拥塞窗口（Congestion Window，cwnd）（属于拥塞控制，不是滑动窗口的一部分，但协同工作）。

作用：

提高传输效率 ：不必每发一个数据就等待 ACK；
实现流量控制：根据接收端的缓冲区动态调整窗口大小；
实现可靠传输：通过确认机制配合重传，保证数据正确送达。

2. 发送窗口与接收窗口结构

对发送方而言，发送窗口包括以下几个部分：

lua 复制代码

+--------+-------------------+------------------------+
| 已确认  | 已发送未确认数据   | 可发送数据（窗口）       |
+--------+-------------------+------------------------+
^        ^                   ^                        ^
send.una send.next           send.window              send.max

send.una：最早未确认的数据的序列号；
send.next：下一个准备发送的字节序号；
send.window：当前允许发送的窗口大小（由接收端通告）；
send.max：最大可发送序列号（= send.una + window size）。

对接收方而言：

接收窗口也维护一个结构，表示当前可以接收的数据范围。

复制代码

+------------------------+-----------------+
| 已接收数据             | 可接收的窗口    |
+------------------------+-----------------+
^                        ^                 ^
rcv.buf                 rcv.nxt         rcv.nxt + rcv.wnd

rcv.nxt：期望接收到的下一个字节序号；
rcv.wnd：接收窗口大小（由应用程序缓冲区大小决定）；
接收方在 ACK 中通告窗口大小，发送方据此控制发送速率。

3. 滑动窗口的工作过程

（1）发送方 根据接收方窗口大小，计算自己可发送的数据量；

（2）每次发送一个或多个数据包，等待 ACK；

（3）接收方 收到数据后发送 ACK，并通告自己的可用窗口；

（4）发送窗口向前滑动 ：只要收到 ACK，就将窗口前移；

（5）若窗口变大，可以继续发送新的数据。

六、TCP 的拥塞控制（发送方控制发送速率）

TCP 的拥塞控制 机制是为了防止网络中出现过载（即网络拥塞），从而导致数据包丢失、延迟增加和吞吐下降。与滑动窗口负责"流量控制 "不同，拥塞控制更多是从网络整体角度出发，控制发送方的数据发送速率。

拥塞控制的流程图：

1. 拥塞控制

TCP 通过动态调整拥塞窗口大小（cwnd），来控制一次能发送多少数据。它遵循的基本原则是：

发现网络没有拥塞 → 增加拥塞窗口；

检测到网络拥塞（如丢包）→ 减小窗口。

这样可以在最大限度利用带宽的同时，避免引发过度拥塞。

2. 拥塞控制的四个阶段（核心算法）

TCP 拥塞控制分为四个阶段，统称为"AIMD（加性增、乘性减） "策略。
TCP拥塞控制的FSM描述：

（1）慢启动（Slow Start）

初始时设置 cwnd = 1 MSS（最大报文段长度）；
每收到一个 ACK，cwnd 增加 1 MSS（即指数增长）；
cwnd 每往返一次 RTT 就翻倍；
一直增长到慢启动阈值 （ssthresh）为止；
进入下一阶段：拥塞避免。

（2）拥塞避免（Congestion Avoidance）

当 cwnd >= ssthresh，每个 RTT cwnd 增加约 1 MSS；
即线性增长；
当检测到网络出现拥塞时（例如超时或三次重复 ACK）就进入下一阶段。

（3）快速重传（Fast Retransmit）

如果接收到3 个重复 ACK，表示可能有一个报文段丢失；
不等超时，立即重传丢失的报文段；
此时不进入慢启动，而是进入"快速恢复"。

（4）快速恢复（Fast Recovery）

将 ssthresh = cwnd / 2；
将 cwnd = ssthresh + 3 MSS（表示收到了 3 个重复 ACK）；
随后每收到一个重复 ACK，cwnd += 1 MSS；
一旦收到新的 ACK（非重复），将 cwnd = ssthresh，重新进入"拥塞避免"。

3. 窗口控制：发送窗口 = min(rwnd, cwnd)

rwnd：接收窗口，由接收方控制，表示接收能力；
cwnd：拥塞窗口，由发送方控制，表示网络允许的发送速率；
发送方实际能发的数据量是两者的较小值。

4. 拥塞控制的关键变量

变量	含义
cwnd	拥塞窗口
ssthresh	慢启动阈值，决定从慢启动进入拥塞避免
rwnd	接收窗口，流量控制用
RTT/RTO	判断是否丢包

5. 拥塞窗口随时间变化（示意）

objectivec 复制代码

        cwnd
         |
       20|                      _______
         |                   __/
       10|           _______/
         |        __/
        5|     __/
         |  __/
        1|_/__________________________> 时间
           |SLOW |AVOID | FAST  | AVOID...
           |START|      |RECOV.|

最初：cwnd 快速增长（慢启动）；
到达阈值后：线性增长（拥塞避免）；
突然丢包：快速重传 & 快速恢复；
然后再次进入拥塞避免。

6. 实际实现（TCP Reno / NewReno / Cubic 等）

不同操作系统和内核实现中，TCP 拥塞控制算法略有差异：

算法	特点
TCP Reno	标准实现，支持快速重传 & 快速恢复
TCP NewReno	对 Reno 的改进，改进了快速恢复
TCP Cubic	Linux 默认算法，适合高速长距离网络，增长非线性
TCP BBR	Google 提出，基于带宽估计而非丢包控制，低延迟高吞吐

七、典型应用场景

Web页面传输（HTTP、HTTPS）；
文件传输（FTP）；
邮件协议（SMTP、POP3、IMAP）；
远程登录（SSH、Telnet）；
数据库通信（MySQL、PostgreSQL）。