【Linux】TCP可靠性与性能优化详解：从确认应答到拥塞控制

文章目录

- TCP可靠性与性能优化详解：从确认应答到拥塞控制
- 一、确认应答（ACK）机制
- - [1.1 什么是确认应答](#1.1 什么是确认应答)
  - [1.2 序列号和确认号的作用](#1.2 序列号和确认号的作用)
  - [1.3 确认应答的图示](#1.3 确认应答的图示)
  - [1.4 确认应答的问题](#1.4 确认应答的问题)
- 二、超时重传机制
- - [2.1 为什么需要超时重传](#2.1 为什么需要超时重传)
  - [2.2 超时重传的原理](#2.2 超时重传的原理)
  - [2.3 超时重传的图示](#2.3 超时重传的图示)
  - [2.4 超时时间如何确定](#2.4 超时时间如何确定)
  - [2.5 动态计算超时时间](#2.5 动态计算超时时间)
  - [2.6 重传次数限制](#2.6 重传次数限制)
- 三、滑动窗口机制
- - [3.1 滑动窗口的核心思想](#3.1 滑动窗口的核心思想)
  - [3.2 滑动窗口的工作原理](#3.2 滑动窗口的工作原理)
  - [3.3 滑动窗口的详细图示](#3.3 滑动窗口的详细图示)
  - [3.4 滑动窗口的优势](#3.4 滑动窗口的优势)
  - [3.5 发送缓冲区的作用](#3.5 发送缓冲区的作用)
- 四、丢包的处理：重传机制详解
- - [4.1 情况1：数据包到达，ACK丢失](#4.1 情况1：数据包到达，ACK丢失)
  - [4.2 情况2：数据包丢失](#4.2 情况2：数据包丢失)
  - [4.3 快速重传的图示](#4.3 快速重传的图示)
  - [4.4 快速重传的优势](#4.4 快速重传的优势)
  - [4.5 接收缓冲区的作用](#4.5 接收缓冲区的作用)
- 五、流量控制
- - [5.1 流量控制的问题](#5.1 流量控制的问题)
  - [5.2 流量控制的原理](#5.2 流量控制的原理)
  - [5.3 流量控制的例子](#5.3 流量控制的例子)
  - [5.4 流量控制的图示](#5.4 流量控制的图示)
  - [5.5 窗口探测](#5.5 窗口探测)
  - [5.6 窗口扩大因子](#5.6 窗口扩大因子)
- 六、拥塞控制
- - [6.1 拥塞控制的问题](#6.1 拥塞控制的问题)
  - [6.2 拥塞控制的目标](#6.2 拥塞控制的目标)
  - [6.3 拥塞窗口（cwnd）](#6.3 拥塞窗口（cwnd）)
  - [6.4 慢启动（Slow Start）](#6.4 慢启动（Slow Start）)
  - [6.5 慢启动阈值（ssthresh）](#6.5 慢启动阈值（ssthresh）)
  - [6.6 拥塞避免（Congestion Avoidance）](#6.6 拥塞避免（Congestion Avoidance）)
  - [6.7 拥塞发生后的处理](#6.7 拥塞发生后的处理)
  - - 情况1：超时重传（严重拥塞）
    - 情况2：快速重传（轻微拥塞）
  - [6.8 拥塞控制的完整过程](#6.8 拥塞控制的完整过程)
  - [6.9 拥塞控制的类比](#6.9 拥塞控制的类比)
- 七、延迟应答与捎带应答
- - [7.1 延迟应答（Delayed ACK）](#7.1 延迟应答（Delayed ACK）)
  - [7.2 捎带应答（Piggybacking）](#7.2 捎带应答（Piggybacking）)
- 八、面向字节流与粘包问题
- - [8.1 面向字节流的含义](#8.1 面向字节流的含义)
  - [8.2 TCP缓冲区机制](#8.2 TCP缓冲区机制)
  - [8.3 读写不匹配](#8.3 读写不匹配)
  - [8.4 粘包问题](#8.4 粘包问题)
  - [8.5 解决粘包问题](#8.5 解决粘包问题)
  - [8.6 UDP有粘包问题吗](#8.6 UDP有粘包问题吗)
- 九、TCP异常情况处理
- - [9.1 进程终止](#9.1 进程终止)
  - [9.2 机器重启](#9.2 机器重启)
  - [9.3 机器掉电或网线断开](#9.3 机器掉电或网线断开)
  - [9.4 保活定时器（Keep-Alive）](#9.4 保活定时器（Keep-Alive）)
- 十、TCP小结
- - [10.1 TCP为什么可靠](#10.1 TCP为什么可靠)
  - [10.2 TCP如何提高性能](#10.2 TCP如何提高性能)
  - [10.3 TCP的设计哲学](#10.3 TCP的设计哲学)
  - [10.4 容易混淆的点](#10.4 容易混淆的点)

TCP可靠性与性能优化详解：从确认应答到拥塞控制

💬 开篇：上一篇我们学习了TCP的连接管理------三次握手和四次挥手。连接建立之后，TCP如何保证数据可靠地传输呢？这就涉及到TCP的核心机制：确认应答、超时重传、滑动窗口、流量控制、拥塞控制。同时，TCP还通过延迟应答、捎带应答、快速重传等机制来提高性能。这一篇会详细讲解这些机制的原理、实现方式、优化策略。理解了这些，你就理解了TCP为什么既可靠又高效。

👍 点赞、收藏与分享：这篇会把TCP的可靠性机制和性能优化讲透，包括滑动窗口、拥塞控制、粘包问题等核心内容。如果对你有帮助，请点赞收藏！

🚀 循序渐进：从确认应答讲起，到超时重传，到滑动窗口，到流量控制，到拥塞控制，到粘包问题，一步步掌握TCP的可靠性保证和性能优化。

一、确认应答（ACK）机制

1.1 什么是确认应答

确认应答（ACK）：接收方告诉发送方"我已经收到了你的数据"。

类比：

bash 复制代码

唐僧讲经：
唐僧说一句，悟空答一句"师父，我听懂了"
唐僧继续说下一句

TCP的确认应答：

bash 复制代码

发送方发送数据
接收方收到数据后，发送ACK
发送方收到ACK后，继续发送下一批数据

1.2 序列号和确认号的作用

序列号（Sequence Number）：

标识发送的数据的第一个字节的序号
用于排序和去重

确认号（Acknowledgment Number）：

表示"下一个我要接收的序列号"
告诉发送方"我已经收到了序列号xxx之前的所有数据"

例子：

bash 复制代码

发送方发送：序列号1000，数据100字节（字节序号1000-1099）
接收方收到后，发送ACK：确认号1100
含义："我已收到1000-1099，下一个要接收的是1100"

1.3 确认应答的图示

bash 复制代码

发送方                          接收方
|                              |
| 发送：seq=1000, data=100字节  |
|----------------------------->|
|                              | 收到1000-1099
|                              |
| 收到ACK                       | 发送：ack=1100
|<-----------------------------|
|                              |
| 发送：seq=1100, data=100字节  |
|----------------------------->|
|                              | 收到1100-1199
|                              |
| 收到ACK                       | 发送：ack=1200
|<-----------------------------|
|                              |

1.4 确认应答的问题

问题：一发一收的方式性能太低。

分析：

bash 复制代码

发送数据 → 等待ACK → 收到ACK → 发送下一批数据
如果网络延迟高（比如100ms），每次都要等待100ms
吞吐量 = 数据量 / (数据传输时间 + 等待ACK时间)

例子：

bash 复制代码

数据量：1000字节
数据传输时间：1ms
等待ACK时间：100ms
吞吐量 = 1000 / (1 + 100) = 9.9字节/ms ≈ 10KB/s

太慢了！

解决方法：滑动窗口（后面详细讲）。

二、超时重传机制

2.1 为什么需要超时重传

问题：数据或ACK可能在网络中丢失。

场景1：数据丢失

bash 复制代码

发送方发送数据
数据在网络中丢失了
接收方收不到数据，不会发送ACK
发送方一直等待ACK

场景2：ACK丢失

bash 复制代码

发送方发送数据
接收方收到数据，发送ACK
ACK在网络中丢失了
发送方收不到ACK，以为数据丢失了

解决方法：超时重传。

2.2 超时重传的原理

核心思想：如果一段时间内没收到ACK，就重发数据。

流程：

bash 复制代码

1. 发送数据
2. 启动定时器
3. 等待ACK

   * 如果在超时时间内收到ACK：停止定时器，发送下一批数据
   * 如果超时：重发数据，重新启动定时器

2.3 超时重传的图示

场景1：数据丢失，超时重传

bash 复制代码

发送方                          接收方
|                              |
| 发送：seq=1000               |
|------------X 数据丢失          |
|                              |
| 等待ACK...                    |
| 超时！                        |
|                              |
| 重传：seq=1000               |
|----------------------------->|
|                              | 收到1000
|                              |
| 收到ACK                       | 发送：ack=1100
|<-----------------------------|
|                              |

场景2：ACK丢失，接收方去重

bash 复制代码

发送方                          接收方
|                              |
| 发送：seq=1000               |
|----------------------------->|
|                              | 收到1000
|                              |
| 等待ACK...                    | 发送：ack=1100
|                       X<-----|  ACK丢失
| 超时！                        |
|                              |
| 重传：seq=1000               |
|----------------------------->|
|                              | 收到重复的1000（去重）
|                              |
| 收到ACK                       | 发送：ack=1100
|<-----------------------------|
|                              |

2.4 超时时间如何确定

问题：超时时间设多长合适？

太长的问题：

bash 复制代码

超时时间=10秒
数据丢失了，要等10秒才能重传
吞吐量严重下降

太短的问题：

bash 复制代码

超时时间=10ms
网络延迟=100ms
每次都会超时重传，导致大量重复数据
浪费带宽

理想的超时时间：

bash 复制代码

超时时间 = RTT（往返时间） + 一些余量

2.5 动态计算超时时间

RTT（Round-Trip Time）：数据发送到接收并收到ACK的时间。

TCP的超时时间计算：

bash 复制代码

RTO (Retransmission Timeout) = SRTT + 4 × RTTVAR

SRTT (Smoothed RTT)：平滑的RTT
RTTVAR (RTT Variance)：RTT的方差

动态调整：

bash 复制代码

每次收到ACK时，测量RTT
更新SRTT和RTTVAR
重新计算RTO

Linux的实现：

bash 复制代码

超时时间以500ms为单位
如果重传一次后仍未收到ACK，等待2×500ms后再重传
如果再重传仍未收到ACK，等待4×500ms后再重传
依次类推：500ms → 1000ms → 2000ms → 4000ms → ...
指数退避（Exponential Backoff）

2.6 重传次数限制

问题：一直重传下去吗？

答案：不是，有次数限制。

Linux的限制：

bash 复制代码

累计重传次数达到一定限制后，认为网络或对端异常
强制关闭连接

查看重传次数限制：

bash 复制代码

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2
# 通常是15次

三、滑动窗口机制

3.1 滑动窗口的核心思想

问题回顾：一发一收的性能太低。

解决方法：一次发送多个数据段，不用等待ACK。

滑动窗口：

bash 复制代码

允许发送方在收到ACK之前，连续发送多个数据段
窗口大小：无需等待ACK就能发送的最大数据量

类比：

bash 复制代码

一发一收 = 单车道（一次只能过一辆车）
滑动窗口 = 多车道（可以同时过多辆车）

3.2 滑动窗口的工作原理

窗口大小：假设窗口大小为4000字节（4个段，每个段1000字节）。

发送过程：

bash 复制代码

1. 一次性发送4个段：seq=1000, 2000, 3000, 4000
2. 收到第一个ACK（ack=2000）
3. 窗口向右滑动，可以发送seq=5000
4. 收到第二个ACK（ack=3000）
5. 窗口继续滑动，可以发送seq=6000
...

图示：

bash 复制代码

发送缓冲区：
┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐
│1000│2000│3000│4000│5000│6000│7000│8000│
└────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┘
 └─────────────┘
   已发送未确认（窗口）
  
收到ack=2000后，窗口滑动：
┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐
│1000│2000│3000│4000│5000│6000│7000│8000│
└────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┘
      └─────────────┘
        已发送未确认（窗口）

3.3 滑动窗口的详细图示

bash 复制代码

发送方                          接收方
  |                              |
  | 发送：seq=1000               |
  |----------------------------->|
  | 发送：seq=2000（不等ACK）     |
  |----------------------------->|
  | 发送：seq=3000               |
  |----------------------------->|
  | 发送：seq=4000               |
  |----------------------------->|
  |                              | 收到1000
  |                              | 发送：ack=2000
  | 收到ack=2000                  |<----|
  | 窗口滑动，发送seq=5000        |
  |----------------------------->|
  |                              | 收到2000
  |                              | 发送：ack=3000
  | 收到ack=3000                  |<----|
  | 窗口滑动，发送seq=6000        |
  |----------------------------->|
  |                              |

3.4 滑动窗口的优势

性能提升：

bash 复制代码

无滑动窗口：
每次发送1000字节，等待100ms
吞吐量 = 1000 / 100ms = 10KB/s

有滑动窗口（窗口大小4000字节）：
一次发送4000字节，等待100ms
吞吐量 = 4000 / 100ms = 40KB/s
性能提升4倍！

核心公式：

bash 复制代码

吞吐量 ≈ 窗口大小 / RTT

结论：

bash 复制代码

窗口越大，网络吞吐量越高

3.5 发送缓冲区的作用

问题：如果ACK丢失了，如何重传？

答案：使用发送缓冲区。

发送缓冲区的作用：

bash 复制代码

1. 保存已发送但未收到ACK的数据
2. 如果超时，可以从缓冲区重传
3. 收到ACK后，删除对应的数据

发送缓冲区的状态：

bash 复制代码

┌──────────────┬──────────────┬──────────────┐
│   已确认     │  已发送未确认  │   未发送     │
│  (可删除)    │  (等待ACK)    │  (待发送)    │
└──────────────┴──────────────┴──────────────┘
               └──────────────┘
                   滑动窗口

四、丢包的处理：重传机制详解

4.1 情况1：数据包到达，ACK丢失

场景：

bash 复制代码

发送：seq=1000, 2000, 3000, 4000
接收方收到所有数据
ACK：ack=2000丢失
ACK：ack=3000到达
ACK：ack=4000到达
ACK：ack=5000到达

处理：

bash 复制代码

收到ack=3000，说明1000和2000都已收到
收到ack=5000，说明1000-4000都已收到
部分ACK丢失不要紧，后续ACK可以确认

图示：

bash 复制代码

发送方                          接收方
  |                              |
  | seq=1000                     |
  |----------------------------->| 收到
  | seq=2000                     | ack=2000
  |----------------------------->|<----X 丢失
  | seq=3000                     | 收到
  |----------------------------->| ack=3000
  |                              |<----|
  | 收到ack=3000                  |
  | （说明1000和2000都已收到）    |
  |                              |

4.2 情况2：数据包丢失

场景：

bash 复制代码

发送：seq=1000, 2000, 3000, 4000
seq=2000丢失
接收方收到：1000, 3000, 4000

接收方的行为：

bash 复制代码

收到1000：发送ack=2000（期望下一个是2000）
收到3000：发送ack=2000（还是期望2000）
收到4000：发送ack=2000（仍然期望2000）

发送方的行为：

bash 复制代码

连续收到3个ack=2000
判断：seq=2000肯定丢失了
立即重传seq=2000（不等超时）

这就是"快速重传"（Fast Retransmit）。

4.3 快速重传的图示

bash 复制代码

发送方                          接收方
  |                              |
  | seq=1000                     |
  |----------------------------->| 收到1000
  |                              | ack=2000
  | seq=2000                     |<----|
  |-------X 丢失                  |
  | seq=3000                     |
  |----------------------------->| 收到3000（乱序）
  |                              | ack=2000（重复ACK）
  | seq=4000                     |<----|
  |----------------------------->| 收到4000（乱序）
  |                              | ack=2000（重复ACK）
  | seq=5000                     |<----|
  |----------------------------->| 收到5000（乱序）
  |                              | ack=2000（重复ACK）
  | 收到3个ack=2000               |<----|
  | 快速重传seq=2000              |
  |----------------------------->| 收到2000ack=6000                  |<----|
  | （说明2000-5000都已收到）     |
  |                              |

4.4 快速重传的优势

对比超时重传：

bash 复制代码

超时重传：等待RTO（可能是几秒）
快速重传：连续3个重复ACK立即重传（几十毫秒）

性能提升：

bash 复制代码

减少等待时间
提高吞吐量

4.5 接收缓冲区的作用

问题：接收方收到乱序的数据怎么办？

答案：使用接收缓冲区。

接收缓冲区的作用：

bash 复制代码

1. 保存已接收但乱序的数据
2. 等待缺失的数据到达
3. 按顺序交付给应用层

例子：

bash 复制代码

接收顺序：1000, 3000, 4000, 2000
缓冲区：先存3000和4000，等待2000
收到2000后，按顺序交付：1000, 2000, 3000, 4000

五、流量控制

5.1 流量控制的问题

问题：接收方的处理速度有限。

场景：

bash 复制代码

发送方：每秒发送100MB数据
接收方：每秒只能处理10MB数据
接收缓冲区：只有1MB

结果：接收缓冲区很快被打满，后续数据被丢弃

后果：

bash 复制代码

大量丢包
大量重传
性能严重下降

5.2 流量控制的原理

核心思想：接收方告诉发送方"我的缓冲区还有多少空间"。

实现方式：

bash 复制代码

接收方在ACK中告诉发送方：窗口大小（剩余缓冲区大小）
发送方根据窗口大小调整发送速度

TCP首部的窗口字段：

bash 复制代码

16位窗口大小字段
最大值：65535字节

5.3 流量控制的例子

场景：

bash 复制代码

接收缓冲区大小：10000字节
已接收但尚未被应用层处理的数据：6000字节
剩余可用缓冲区：4000字节

接收方发送ACK：
ACK标志 = 1
确认号 = ...
窗口大小 = 4000
（告诉发送方：我还能再接收4000字节）

发送方的行为：

bash 复制代码

收到窗口大小=4000
最多再发送4000字节
等待接收方处理数据，窗口变大

5.4 流量控制的图示

bash 复制代码

发送方                          接收方
|                              |
| 发送4000字节                  |
|----------------------------->| 接收缓冲区：4000/10000
|                              | ack, window=6000
|<-----------------------------|
|                              |
| 发送6000字节                  |
|----------------------------->| 接收缓冲区：10000/10000（满了）
|                              | ack, window=0
|<-----------------------------|
|                              |
| 收到window=0，停止发送        |
|                              | 应用层读取数据...
|                              | 接收缓冲区：5000/10000
|                              | ack, window=5000
|<-----------------------------|
|                              |
| 收到window=5000，继续发送     |
|                              |

5.5 窗口探测

问题：如果接收方缓冲区满了（window=0），发送方停止发送。但接收方的窗口更新ACK丢失了怎么办？

场景：

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接收方：window=0
发送方：停止发送
接收方处理了数据：window=5000，发送ACK
ACK丢失
发送方：不知道窗口变大了，一直等待
死锁！

解决方法：窗口探测（Window Probe）。

窗口探测：

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发送方在收到window=0后，定期发送1字节的探测数据
接收方收到探测数据，回复当前的窗口大小
发送方获得最新的窗口大小

5.6 窗口扩大因子

问题：窗口大小字段只有16位

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高带宽：1Gbps = 125MB/s
高延迟：RTT=100ms
理想窗口大小 = 125MB/s × 0.1s = 12.5MB
远超65535字节！

解决方法：窗口扩大因子（Window Scale）。

窗口扩大因子：

bash 复制代码

在TCP选项中协商一个扩大因子（0-14）
实际窗口大小 = 窗口字段值 << 扩大因子

例如：窗口字段=65535，扩大因子=7
实际窗口 = 65535 << 7 = 8388480字节 ≈ 8MB

六、拥塞控制

6.1 拥塞控制的问题

问题：网络拥堵时，盲目发很拥堵（路由器缓冲区快满了）

发送方继续高速发送数据

路由器缓冲区满了，丢弃数据包

发送方重传，继续发送大量数据

网络更加拥堵

恶性循环！

后果：

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网络拥塞崩溃（Congestion Collapse）
所有连接的吞吐量都下降

6.2 拥塞控制的目标

目标：

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1. 尽可能快地发送数据（提高吞吐量）
2. 避免造成网络拥堵（维持稳定性）

平衡：

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发送太慢：浪费带宽
发送太快：造成拥堵

6.3 拥塞窗口（cwnd）

拥塞窗口（Congestion Window, cwnd）：

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发送方估算的网络能承受的数据量
根据网络状况动态调整

实际发送窗口：

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实际窗口 = min(拥塞窗口, 接收方窗口)

拥塞窗口：避免网络拥堵
接收方窗口：避免接收方过载
取两者的最小值

6.4 慢启动（Slow Start）

核心思想：从小窗口开始，逐渐增大。

初始值：

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拥塞窗口 cwnd = 1个MSS（Maximum Segment Size，最大报文段大小）
通常MSS = 1460字节

增长规则：

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每收到一个ACK，cwnd += 1个MSS

例子：

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初始：cwnd = 1
发送1个段，收到1个ACK：cwnd = 2
发送2个段，收到2个ACK：cwnd = 4
发送4个段，收到4个ACK：cwnd = 8
发送8个段，收到8个ACK：cwnd = 16
...

增长速度：

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指数增长：1 → 2 → 4 → 8 → 16 → 32 → 64 → ...

6.5 慢启动阈值（ssthresh）

问题：一直指数增长会导致网络拥堵。

解决方法：引入慢启动阈值（Slow Start Threshold, ssthresh）。

规则：

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cwnd < ssthresh：慢启动，指数增长
cwnd >= ssthresh：拥塞避免，线性增长

初始值：

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ssthresh = 接收方窗口大小（或一个很大的值）

6.6 拥塞避免（Congestion Avoidance）

核心思想：到达阈值后，缓慢增长。

增长规则：

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每收到一个完整窗口的ACK，cwnd += 1个MSS

例子：

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cwnd = 8（8个段）
发送8个段，收到8个ACK：cwnd = 9
发送9个段，收到9个ACK：cwnd = 10
...

增长速度：

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线性增长：每个RTT增加1个MSS

6.7 拥塞发生后的处理

情况1：超时重传（严重拥塞）

判断：

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超时未收到ACK
说明网络严重拥堵（可能大量丢包）

处理：

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1. ssthresh = cwnd / 2（阈值减半）
2. cwnd = 1（重新慢启动）
3. 重传数据

情况2：快速重传（轻微拥塞）

判断：

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收到3个重复ACK
说明网络轻微拥堵（部分丢包）

处理（快速恢复）：

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1. ssthresh = cwnd / 2（阈值减半）
2. cwnd = ssthresh（不是1，而是阈值）
3. 重传数据
4. 进入拥塞避免阶段（线性增长）

6.8 拥塞控制的完整过程

由上面知识我们可以知道，图中所显示的网络拥塞一定是发生了超时重传，cwnd=1

6.9 拥塞控制的类比

类比：热恋的感觉

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初期（慢启动）：
感情快速升温，每天见面次数翻倍
1次 → 2次 → 4次 → 8次 → ...

稳定期（拥塞避免）：
到达一定程度后，缓慢增加
每周增加1次见面

吵架（拥塞发生）：
小吵架（快速重传）：见面次数减半，但不回到初期
大吵架（超时重传）：回到初期，重新开始

七、延迟应答与捎带应答

7.1 延迟应答（Delayed ACK）

问题：立即应答可能窗口太小。

场景：

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接收缓冲区：1MB
收到500KB数据
立即回复ACK：window=500KB

但实际上：
应用层很快处理了这500KB数据（10ms）
如果延迟200ms再回复ACK：window=1MB

延迟应答的好处：

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窗口更大 → 吞吐量更高

延迟应答的规则：

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1. 数量限制：每收到N个包，就应答一次（通常N=2）
2. 时间限制：超过最大延迟时间，立即应答（通常200ms）

例子：

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收到第1个包：不立即应答
收到第2个包：应答（确认1和2）
收到第3个包：不立即应答
收到第4个包：应答（确认3和4）

7.2 捎带应答（Piggybacking）

场景：很多应用层协议是"一发一收"的。

例子：

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客户端发送："How are you?"
服务器收到后：
1. 需要发送ACK（确认收到）
2. 需要发送响应："Fine, thank you!"

捎带应答：

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把ACK和响应数据合并发送
一个TCP段同时包含：
- ACK标志=1，确认号=...
- 数据="Fine, thank you!"

图示：

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客户端                          服务器
  |
  |----------------------------->|
  |                              | 收到
  |                              |
  | 收到捎带应答                  | 发送：ACK + "Fine, thank you!"
  |<-----------------------------|
  |                              |
  
省略了一个单独的ACK报文

优势：

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减少报文数量
提高效率

八、面向字节流与粘包问题

8.1 面向字节流的含义

TCP是面向字节流的：

bash 复制代码

应用层看到的是连续的字节流
没有明确的消息边界

对比UDP：

bash 复制代码

UDP是面向数据报的
应用层看到的是一个个独立的数据报
有明确的消息边界

8.2 TCP缓冲区机制

发送缓冲区：

bash 复制代码

应用层调用send()，数据先放入发送缓冲区
TCP根据情况决定何时发送：
- 缓冲区满了：立即发送
- 收到PSH标志：立即发送
- 达到一定时机：发送

接收缓冲区：

bash 复制代码

TCP收到数据，放入接收缓冲区
应用层调用recv()，从缓冲区读取数据

全双工：

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一个TCP连接同时有发送缓冲区和接收缓冲区
既可以读，也可以写

8.3 读写不匹配

TCP的读写可以不匹配：

例子1：多次写，一次读

cpp 复制代码

// 发送端
send("hello");  // 5字节
send("world");  // 5字节
send("!");      // 1字节

// 接收端
recv(buf, 100);  // 一次读取11字节："helloworld!"

例子2：一次写，多次读

cpp 复制代码

// 发送端
send("hello world!", 12);  // 12字节

// 接收端
recv(buf, 5);   // 读取5字节："hello"
recv(buf, 7);   // 读取7字节：" world!"

结论：

bash 复制代码

TCP的读写次数和数量可以不匹配
站在应用层的角度，看到的是连续的字节流

8.4 粘包问题

粘包问题：

bash 复制代码

应用层无法区分两个数据包的边界

例子：

bash 复制代码

发送端发送两个数据包：
包1："hello"
包2："world"

接收端可能收到：
情况1："hello" 和 "world"（正常）
情况2："helloworld"（粘包）
情况3："hel" 和 "loworld"（拆包）
情况4："he" "llo" "wo" "rld"（拆包）

为什么会粘包：

bash 复制代码

1. TCP的发送缓冲区可能合并数据
2. TCP的接收缓冲区可能合并数据
3. 网络层可能分片或合并数据

8.5 解决粘包问题

核心：明确两个包之间的边界。

方法1：定长包

cpp 复制代码

// 每个包固定100字节
struct Packet {
    char data[100];
};

// 发送
Packet pkt;
strcpy(pkt.data, "hello");
send(&pkt, sizeof(pkt));  // 固定100字节

// 接收
Packet pkt;
recv(&pkt, sizeof(pkt));  // 固定接收100字节

优点：简单
缺点：浪费空间（数据不够100字节也要占用100字节）

方法2：包头长度字段

cpp 复制代码

// 包头包含长度字段
struct PacketHeader {
    uint32_t length;  // 数据长度
};

struct Packet {
    PacketHeader header;
    char data[];  // 可变长度
};

// 发送
std::string msg = "hello world";
PacketHeader header;
header.length = msg.size();
send(&header, sizeof(header));
send(msg.c_str(), msg.size());

// 接收
PacketHeader header;
recv(&header, sizeof(header));  // 先接收包头
char* buf = new char[header.length];
recv(buf, header.length);  // 根据长度接收数据

优点：不浪费空间
缺点：需要两次recv（先接收包头，再接收数据）

方法3：分隔符

cpp 复制代码

// 使用特殊分隔符（如\n或\r\n）
// HTTP协议使用\r\n

// 发送
send("hello\n");
send("world\n");

// 接收
while (true) {
    char c;
    std::string line;
    while (recv(&c, 1) > 0) {
        if (c == '\n') {
            break;  // 遇到分隔符，一个包结束
        }
        line += c;
    }
    // line是一个完整的包
}

优点：简单直观
缺点：

数据中不能包含分隔符（需要转义）
效率较低（逐字节读取）

方法4：应用层协议

cpp 复制代码

// 例如HTTP协议
// 包头用\r\n\r\n分隔
// 包头中包含Content-Length字段

// 例子：
GET / HTTP/1.1\r\n
Host: www.example.com\r\n
Content-Length: 11\r\n
\r\n
hello world

// 接收流程：
1. 读取包头（直到\r\n\r\n）
2. 解析Content-Length字段
3. 根据Content-Length读取数据

8.6 UDP有粘包问题吗

答案：UDP没有粘包问题。

原因：

bash 复制代码

UDP是面向数据报的
每个数据报都是独立的
有明确的边界

例子：

cpp 复制代码

// 发送端
sendto("hello", 5);  // 数据报1
sendto("world", 5);  // 数据报2

// 接收端
recvfrom(buf, 100);  // 要么收到完整的"hello"，要么收不到
recvfrom(buf, 100);  // 要么收到完整的"world"，要么收不到

不会收到"helloworld"或"hel"

结论：

bash 复制代码

UDP：
- 要么收到完整的数据报
- 要么收不到（丢失）
- 不会出现"半个"或"粘在一起"的情况

九、TCP异常情况处理

9.1 进程终止

场景：进程意外终止（如Ctrl+C、crash）。

处理：

bash 复制代码

1. 进程终止
2. 操作系统自动关闭所有文件描述符（包括socket）
3. 发送FIN（正常关闭流程）

结论：

bash 复制代码

和正常关闭没有什么区别
四次挥手正常进行

9.2 机器重启

场景：机器重启（reboot）。

处理：

bash 复制代码

1. 操作系统关闭所有进程
2. 发送FIN或RST（取决于操作系统）
3. 对端收到FIN或RST，关闭连接

结论：

bash 复制代码

和进程终止类似
连接会被正常关闭

9.3 机器掉电或网线断开

场景：机器突然掉电，或网线被拔掉。

问题：无法发送FIN。

对端的处理：

情况1：对端有数据要发送

bash 复制代码

1. 对端发送数据
2. 等待ACK，超时
3. 重传数据，再次超时
4. 多次重传失败后，判断连接已断开
5. 返回错误给应用层

情况2：对端没有数据要发送

复制代码

1. 对端一直等bash待
2. 连接看起来仍然存在
3. 但实际上对方已经不在了

解决方法：保活定时器（Keep-Alive）

9.4 保活定时器（Keep-Alive）

保活定时器：定期检测对方是否还在。

工作原理：

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1. 如果一段时间内没有数据传输
2. 定期发送保活探测包（1字节数据）
3. 如果收到ACK，说明对方还在
4. 如果多次探测都没有响应，判断连接已断开

Linux的保活参数：

bash 复制代码

# 保活时间（多久没数据后开始探测）
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time
# 默认7200秒（2小时）

# 保活间隔（探测包的间隔）
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl
# 默认75秒

# 保活探测次数（多少次探测失败后判断断开）
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_probes
# 默认9次

总时间：

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2小时 + 75秒 × 9 = 2小时11分15秒
才能判断连接已断开

启用保活：

cpp 复制代码

int opt = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &opt, sizeof(opt));

应用层的心跳：

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TCP的保活时间太长（2小时）
很多应用层协议自己实现心跳机制
例如：HTTP长连接、QQ、游戏
通常间隔：30秒到5分钟

十、TCP小结

10.1 TCP为什么可靠

可靠性机制：

校验和：检测数据是否损坏
序列号：排序和去重
确认应答：确认收到数据
超时重传：数据丢失后重传
连接管理：三次握手和四次挥手
流量控制：避免接收方过载
拥塞控制：避免网络拥堵

10.2 TCP如何提高性能

性能优化：

滑动窗口：一次发送多个段，不等ACK
快速重传：连续3个重复ACK立即重传
延迟应答：等待缓冲区有更多空间再应答
捎带应答：把ACK和数据合并发送
拥塞控制：根据网络状况动态调整发送速度

10.3 TCP的设计哲学

核心矛盾：

bash 复制代码

可靠性 vs 性能

TCP的选择：

bash 复制代码

在保证可靠性的前提下，尽可能提高性能

具体体现：

bash 复制代码

确认应答：保证可靠性
滑动窗口：提高性能

超时重传：保证可靠性
快速重传：提高性能

流量控制：保证可靠性
拥塞控制：提高性能并维持网络稳定

10.4 容易混淆的点

序列号vs确认号：
- 序列号：我发送的数据的第一个字节的序号
- 确认号：下一个我要接收的序列号
流量控制vs拥塞控制：
- 流量控制：避免接收方过载（接收方窗口）
- 拥塞控制：避免网络拥堵（拥塞窗口）
慢启动vs拥塞避免：
- 慢启动：指数增长（1→2→4→8→16...）
- 拥塞避免：线性增长（每个RTT增加1个MSS）
超时重传vs快速重传：
- 超时重传：等待RTO超时后重传
- 快速重传：收到3个重复ACK立即重传
粘包问题：
- TCP有粘包问题（面向字节流）
- UDP没有粘包问题（面向数据报）

💬 总结：TCP通过一系列复杂的机制，在保证可靠性的同时，尽可能提高性能。确认应答和超时重传保证了可靠性，滑动窗口和快速重传提高了性能，流量控制避免接收方过载，拥塞控制避免网络拥堵。这些机制相互配合，使TCP成为互联网上最重要的传输层协议。理解了这些机制，你就理解了TCP为什么既可靠又高效。下一篇我们会总结TCP和UDP的对比，以及用UDP实现可靠传输的方法。
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