TCP协议

TCP 协议

1. TCP 概述

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是传输层的面向连接协议，提供可靠的数据传输服务。

TCP 基本特征

• 面向连接：需要预先建立连接
• 可靠传输：保证数据完整、有序、无重复传输
• 流量控制：防止发送方过快导致接收方缓冲区溢出
• 拥塞控制：适应网络状况，避免网络拥塞

TCP 适用场景

• 文件传输：FTP、HTTP
• Web 浏览：HTTPS
• 邮件传输：SMTP、POP3、IMAP
• 远程登录：SSH、Telnet

2. TCP 段结构

TCP 首部格式

源端口号（16位） | 目的端口号（16位）
序号（32位）
确认号（32位）
数据偏移（4位） | 保留（6位） | 标志位（6位） | 窗口大小（16位）
校验和（16位） | 紧急指针（16位）
选项（可变）
数据（可变）

字段说明

端口号字段：

• 源端口号（16 位）：发送方进程的端口号
• 目的端口号（16 位）：接收方进程的端口号

序号字段：

• 序号（32 位）：本报文段第一个字节的序号
• 确认号（32 位）：期望收到的下一个字节的序号

控制字段：

• 数据偏移（4 位）：TCP 首部长度，以 4 字节为单位
• 保留（6 位）：保留字段，设为 0
• 标志位（6 位）：
  • URG：紧急指针有效
  • ACK：确认号有效
  • PSH：推送标志
  • RST：重置连接
  • SYN：同步序号
  • FIN：结束连接

窗口和校验字段：

• 窗口大小（16 位）：接收窗口大小
• 校验和（16 位）：首部和数据的校验和
• 紧急指针（16 位）：紧急数据的最后一个字节

3. TCP 连接管理

三次握手（连接建立）

过程：

1. SYN=1, seq=x：客户端发送连接请求
2. SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1：服务器确认连接
3. ACK=1, seq=x+1, ack=y+1：客户端确认连接

状态变化：

• 客户端：CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED
• 服务器：CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED

四次挥手（连接释放）

过程：

1. FIN=1, seq=u：客户端发送结束请求
2. ACK=1, ack=u+1：服务器确认结束请求
3. FIN=1, seq=v：服务器发送结束请求
4. ACK=1, ack=v+1：客户端确认结束请求

状态变化：

• 客户端：ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED
• 服务器：ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

4. TCP 可靠传输

序号机制

• 字节序号：每个字节都有唯一序号
• 初始序号：连接建立时随机选择
• 序号回绕：序号达到最大值后重新开始

确认机制

• 累积确认：确认号表示期望收到的下一个字节
• 选择性确认：确认特定的数据段
• 延迟确认：延迟发送确认，减少网络开销

超时重传

• 超时时间：动态调整，基于 RTT
• 重传策略：指数退避算法
• 快速重传：收到 3 个重复 ACK 立即重传

滑动窗口

• 发送窗口：允许发送但未确认的数据范围
• 接收窗口：允许接收的数据范围
• 窗口滑动：收到确认后窗口向前滑动

5. TCP 流量控制

流量控制目的

• 防止过载：防止发送方过快导致接收方缓冲区溢出
• 匹配速率：发送速率与接收速率匹配
• 提高效率：充分利用接收方处理能力

滑动窗口机制

• 窗口大小：接收方通告的窗口大小
• 动态调整：根据接收方处理能力调整
• 零窗口：接收方缓冲区满时通告零窗口

流量控制算法

• 慢启动：连接建立后从 1 个 MSS 开始
• 拥塞避免：窗口达到阈值后线性增长
• 快重传：收到 3 个重复 ACK 立即重传
• 快恢复：重传后进入拥塞避免状态

6. TCP 拥塞控制

拥塞控制目的

• 避免拥塞：防止网络拥塞
• 公平性：多个连接公平共享带宽
• 效率：充分利用网络资源

拥塞控制算法

慢启动：

• 初始 cwnd=1 个 MSS
• 每收到一个 ACK，cwnd 翻倍
• 直到达到 ssthresh

拥塞避免：

• cwnd 达到 ssthresh 后线性增长
• 每 RTT 增加 1 个 MSS
• 直到发生拥塞

快重传和快恢复：

• 收到 3 个重复 ACK 立即重传
• 重传后进入拥塞避免状态
• 不进入慢启动状态

拥塞控制参数

• cwnd：拥塞窗口大小
• ssthresh：慢启动阈值
• RTT：往返时间
• MSS：最大段大小

7. TCP 应用

Web 应用

• HTTP：超文本传输协议
• HTTPS：安全超文本传输协议
• 特点：可靠传输，适合文件传输

文件传输

• FTP：文件传输协议
• SFTP：安全文件传输协议
• 特点：大文件传输，可靠性要求高

邮件传输

• SMTP：简单邮件传输协议
• POP3：邮局协议
• IMAP：互联网消息访问协议

远程登录

• SSH：安全外壳协议
• Telnet：远程登录协议
• 特点：交互式通信，可靠性要求高

练习题

练习 1

TCP 如何实现可靠传输？

练习 2

TCP 的流量控制和拥塞控制有何不同？