TCP协议

#TCP协议

文章目录

• • 先看下TCP协议头
  • TCP如何建立和断开连接
  • TCP如何可靠传输
  • TCP如何高效传输
  • • 滑动窗口 (Sliding Window)
    • [延迟确认 (Delayed ACK) 与 Nagle 算法](#延迟确认 (Delayed ACK) 与 Nagle 算法)
    • 拥塞控制 (Congestion Control)
  • 总结

先看下TCP协议头

• TCP 头部通常为 20 字节（不含选项），核心字段包括：

字段	长度	作用
端口号 (源端口和目标端口)	32 bit	标识发送方和接收方的应用程序。
序列号 (Seq)	32 bit	解决乱序问题，标识本报文段发送的数据组第一个字节的序号。
确认号 (Ack)	32 bit	期望收到的下一个字节序号（ACK = seq + len）
头部长度（Data Offset）	4 bit	TCP 头部长度（单位：4 字节），最小值为 5（20 字节）
标记控制位（Flags）	6 bit	SYN：同步序号，用于建立连接。 ACK：确认序号有效。 FIN：发送方完成发送任务，用于释放连接。 RST：强制重置异常连接。
窗口大小 (Window Size)	16 bit	用于流量控制，告知对方本地目前允许接收的数据量。
校验和 (Checksum)	16 bit	检测数据在传输中是否有差错。
紧急指针（Urgent Pointer）	16 bit	指示紧急数据末尾位置（配合 URG 使用，现代系统基本弃用）
可选性Options	可变	支持 MSS、窗口缩放、时间戳、SACK 等扩展

TCP如何建立和断开连接

• 建立连接：三次握手

  • 第一次握手：客户端发送 SYN，进入 SYN_SENT 状态。（确认客户端发送能力）
  • 第二次握手：服务端返回 SYN + ACK，进入 SYN_RCVD 状态。（确认服务端接收和发送能力，进入SYN_RECV半连接队列）
  • 第三次握手：客户端发送 ACK，双方进入 ESTABLISHED 状态。（确认客户端接收能力，进入ACCEPT全队列）
  • 知识点1：服务端监听时指定的backlog半连接、全连接的总和：SYN_RECV连接队列，ACCEPT连接队列，调用accept()方法取走连接
  • 知识点2：为什么不是两次？为了防止已失效(迷路)的连接SYN请求突然又传送到了服务端，导致产生脏连接消耗服务端资源。

• 端口连接：四次挥手

  • 第一次挥手：客户端发送 FIN。（我不发数据了）
  • 第二次挥手：服务端返回 ACK。（收到，但我可能还没发完，你等会）
  • 第三次挥手：服务端发完剩余数据，发送 FIN。（我也发完了，断开吧）
  • 第四次挥手 ：客户端返回 ACK，进入 TIME_WAIT 状态，等待 2MSL 后彻底关闭。
  • 知识点1：拔网线连接是否会断开？不会立即断开，连接仍处于 ESTABLISHED 状态（"假连接"）
  • 知识点2：为什么需要 TIME_WAIT？防止相同的四元组立断开后立即建立新连接，导致数据错乱

TCP如何可靠传输

1. 序列号与确认应答 (Seq & Ack)：给每个字节编号。接收方收到后必须回传 ACK，否则发送方认为丢失。
2. 超时重传 (Retransmission)：发送方在规定时间内没收到 ACK，就重新发送该数据。
3. 丢弃重复与乱序重排：利用序列号，接收端会自动剔除重复数据，并按顺序组装被拆分的报文。
4. 流量控制 (Flow Control) ：利用滑动窗口。接收方根据自己的处理能力告知发送方："我还能收多少"，防止发送方发太快导致接收方缓冲区溢出。
5. 校验和 (Checksum)：通过数学算法校验数据块，如果校验失败，直接丢弃。

TCP如何高效传输

滑动窗口 (Sliding Window)

• 如果不使用窗口，发一个包等一个 ACK，效率极低。
• 窗口允许发送方在不等待 ACK 的情况下连续发送多个包，极大提高了吞吐量。

延迟确认 (Delayed ACK) 与 Nagle 算法

• 延迟确认：接收方不立即回 ACK，而是等一会（通常<200ms），看有没有数据要回传给发送方，顺便把 ACK 带回去（捎带应答），减少包数量。
• Nagle 算法：将多个细小的包合并成一个大包再发送，减少网络包头的开销。

拥塞控制 (Congestion Control)

这是针对整个网络状况的"宏观调控"，防止网络拥堵导致崩溃：

1. 慢启动 (Slow Start)：初始发送量小，按指数级倍增（1, 2, 4, 8...）。
2. 拥塞避免 (Congestion Avoidance)：达到阈值后，改为线性增长，小步快跑。
3. 快重传 (Fast Retransmit)：如果接收方收到乱序包，连续发 3 个冗余 ACK，发送方立刻重传，无需等待超时。
4. 快恢复 (Fast Recovery)：网络波动后不直接回到慢启动，而是减半窗口快速恢复。

总结

• "在不可靠的网络上构建可靠的传输" ------ 通过确认应答、超时重传、滑动窗口、拥塞控制等机制，在尽力而为的 IP 网络之上，提供应用所需的稳定数据通道。