计算机网路-TCP

一、TCP 是什么？

TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

传输层协议：位于IP协议（网络层）之上，应用层之下，为应用程序提供端到端的通信能力。
面向连接：通信双方在传输数据前必须先建立一条连接（三次握手），传输结束后要断开连接（四次挥手）。
可靠：它通过各种机制确保数据能够无差错、不丢失、不重复、按序地到达对方。
基于字节流：TCP将应用层交下来的数据仅仅视为一连串的、无结构的字节流。它不保证数据块的边界。这意味着，发送方应用程序执行10次写操作发送的数据，接收方应用程序可能一次读操作就全部读走了。

二、TCP 的主要特性

1. 可靠传输

这是TCP最核心的价值，通过以下机制实现：

校验和：每个TCP报文段都包含一个校验和。接收方会计算校验和，如果与报文中的值不匹配，则丢弃该报文，发送方会超时重传。
序列号与确认应答：
- 每个字节的数据都会被分配一个序列号。
- 接收方收到数据后，会返回一个确认报文 ，其中的确认号告诉发送方："我已经成功收到了确认号之前的所有数据，期望下一个收到的数据序列号是多少"。
超时重传：发送方在发送一个数据后，会启动一个定时器。如果在规定时间内没有收到对方的确认应答，就会重新发送该数据。
连接管理：通过三次握手建立连接，四次挥手释放连接，确保通信路径的可靠性。

2. 流量控制

目的是防止发送方发送数据太快，导致接收方缓冲区溢出。

实现机制：滑动窗口。
接收方在每次发送确认报文时，都会在报文首部的窗口大小 字段告诉发送方自己当前接收缓冲区还有多少剩余空间。
发送方会根据这个窗口值动态调整自己发送数据的速度，确保发送的数据量不会超过接收方的处理能力。

3. 拥塞控制

目的是防止发送方发送数据太快，导致网络中间设备（如路由器）过载，从而引发网络全局性的性能下降。

实现机制 ：TCP维护一个拥塞窗口 ，其大小代表在未收到确认的情况下能发送的最大数据量。真正的发送窗口取 接收方通告窗口 和 拥塞窗口 的最小值。
核心算法：主要包括四个部分：
1. 慢启动：连接开始时，拥塞窗口从一个很小值（如1个MSS）开始，每收到一个ACK，窗口大小就翻倍（指数增长），快速探测网络容量。
2. 拥塞避免：当窗口增长到一个阈值（慢启动门限）时，进入拥塞避免阶段，窗口每经过一个往返时间只增加1（线性增长），变得保守。
3. 快速重传：如果发送方连续收到3个重复的ACK，说明有个包丢失了，但后续的包已经到达。发送方会立即重传丢失的包，而不必等待超时。
4. 快速恢复：在快速重传后，直接进入拥塞避免阶段，而不是慢启动，以避免网络吞吐量急剧下降。

三、TCP 报文段格式

了解首部格式有助于理解其工作机制。TCP首部通常为20字节，包含选项时可更长。

text

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 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         源端口号 (16bit)       |       目的端口号 (16bit)       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       序列号 (32bit)                          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                     确认号 (32bit)                            |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 数据偏移 | 保留 |   控制标志位  |          窗口大小 (16bit)      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|        校验和 (16bit)         |       紧急指针 (16bit)         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                   选项和填充 (长度可变)                       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                             数据                             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

关键字段解释：

源/目的端口号：标识发送和接收应用程序的端口。
序列号和确认号：实现可靠传输的核心字段。
数据偏移：指示TCP首部的长度。
控制标志位：
- URG：紧急指针有效。
- ACK：确认号有效（建立连接后，该位通常总是1）。
- PSH：接收方应尽快将数据交付给应用层。
- RST：重置连接（通常表示异常中断）。
- SYN：同步序列号，用于建立连接。
- FIN：发送方数据发送完毕，用于断开连接。
窗口大小：用于流量控制，告知对方自己的接收窗口大小。

四、TCP 连接管理

1. 三次握手（建立连接）

目的：双方确认彼此的收发能力正常，并协商初始序列号。

SYN ：客户端发送一个SYN=1的报文，并随机生成一个初始序列号 seq = x。
SYN-ACK ：服务器收到后，回复一个SYN=1, ACK=1的报文。确认号为 ack = x + 1，同时自己也随机生成一个初始序列号 seq = y。
ACK ：客户端收到后，再发送一个ACK=1的报文。确认号为 ack = y + 1。

至此，连接建立。之后可以开始传输数据。

为什么是三次，不是两次？

主要为了防止已失效的连接请求报文突然又传送到服务器，从而产生错误。

假设客户端发送的第一个SYN报文因网络拥堵滞留了，客户端超时重发并成功建立连接、传输数据、断开连接。此时那个滞留的SYN报文才到达服务器，服务器会误以为客户端又想建立新连接，于是回应SYN-ACK。如果只有两次握手，服务器此刻就认为连接已建立并等待数据，浪费资源。而三次握手下，客户端不会回应那个失效报文的ACK，服务器收不到ACK，就不会建立连接。

2. 四次挥手（断开连接）

目的：双方确认数据都已发送完毕，可以安全断开连接。TCP连接是全双工的，每个方向必须单独关闭。

FIN：客户端（主动关闭方）发送一个FIN=1的报文，表示自己没有数据要发送了。
ACK：服务器收到FIN后，发送一个ACK进行确认。
FIN：服务器等到自己也没有数据要发送时，发送一个FIN=1的报文给客户端。
ACK：客户端收到服务器的FIN后，发送ACK进行确认。

此后，客户端会等待一段时间（2MSL，即两倍的最大报文段生存时间）后才最终关闭，以确保服务器收到了自己的ACK。如果ACK丢失，服务器会重传FIN，客户端还能再次响应。

总结

TCP是一个极其精巧和复杂的协议，它的设计哲学是在不可靠的IP网络之上，通过确认、重传、流量控制和拥塞控制等一系列机制，为上层应用提供一个可靠的、像管道一样的字节流服务。虽然因其复杂性而带来了一些开销（如建立连接的延迟），但在需要高可靠性的场景（如网页浏览、文件传输、电子邮件等）中，它是无可替代的。