TCP协议

TCP协议概述

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是互联网协议栈（TCP/IP协议族）中的核心传输层协议之一, 它是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输协议。它主要用于在不可靠的网络环境中（如互联网）提供可靠的数据传输服务，它被广泛应用于Web浏览、电子邮件、文件传输等需要数据完整性和顺序的应用中。

TCP协议的设计目标是解决底层网络（如IP协议）的不可靠性问题。IP协议只负责数据包的路由和传递，但不保证数据包的到达、顺序或完整性。TCP在IP之上添加了可靠机制，确保数据在发送方和接收方之间可靠传输。

TCP的关键特性

TCP协议具有以下主要特性，这些特性使其成为可靠传输的首选，其特性如下表:

特性	描述	实现机制
面向连接	必须先建立连接后传输数据	三次握手、四次挥手
可靠传输	保证数据不丢失、不乱序	ACK、重传、序号机制
流式传输	数据作为连续流处理	段分割与重组
流量控制	防止接收方缓冲区溢出	滑动窗口
拥塞控制	避免网络过载	慢启动、拥塞避免等算法
错误检测	检测传输错误	校验和

1. 面向连接（Connection-Oriented）：
   在数据传输前，必须通过“三次握手”建立连接；在传输结束后，通过“四次挥手”关闭连接。这确保了双方都准备好通信，避免了单方面的数据丢失。

2. 可靠传输（Reliable Delivery）：
   TCP使用确认（ACK）、重传、校验和等机制保证数据不丢失、不重复、不乱序。如果数据包丢失或损坏，发送方会重传。

3. 流式传输（Byte Stream-oriented）：
   TCP将应用层的数据视为连续的字节流，而不是独立的消息。发送方将数据分割成段（Segments），接收方重组它们，确保数据按顺序交付。

4. 全双工通信（Full-Duplex）：
   连接建立后，双方可以同时发送和接收数据。

5. 流量控制（Flow Control）：
   使用滑动窗口机制，接收方告知发送方其缓冲区大小，防止发送方过快发送数据导致接收方溢出。

6. 拥塞控制（Congestion Control）：
   TCP监测网络拥塞，通过调整发送速率（如慢启动、拥塞避免、快速重传等算法）避免网络崩溃。常见算法包括Tahoe、Reno和NewReno。

7. 错误检测和恢复：
   每个TCP段包含校验和（Checksum），用于检测传输错误。如果错误，数据会重传。

TCP的工作原理

TCP的工作可以分为连接建立、数据传输、连接终止三个阶段。

1. 连接建立：三次握手（Three-Way Handshake）

假设客户端是 A，服务器是 B：

1. 第一次握手：
   A → B：发送 SYN=1，seq=x（A 请求建立连接，并告诉 B 我这边的初始序列号是 x）

   表示“我想和你通信，并从序号 x 开始发送数据。”

2. 第二次握手：
   B → A：发送 SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1

   表示“我收到了你的请求（ACK），我也准备好通信（SYN），我的初始序列号是 y。”

3. 第三次握手：
   A → B：发送 ACK=1，seq=x+1，ack=y+1

   表示“我也收到了你的确认，我们可以正式开始传输数据了。”

如果任何一步失败，连接不会建立。这防止了“半开连接”问题。

2. 数据传输

• 分段与序号：数据被分成TCP段，每段有序列号。接收方使用确认号回复已接收的数据。
• 重传机制：如果未收到ACK，发送方超时重传（RTO，Retransmission Time-Out）。
• 滑动窗口：窗口大小动态调整，允许发送方发送多个未确认的段，提高效率。
• 拥塞控制阶段：
  • 慢启动：窗口从1开始指数增长。
  • 拥塞避免：线性增长窗口。
  • 快速恢复：检测到丢失时，快速重传而不减速太多。

3. 连接终止：四次挥手（Four-Way Handshake）

假设客户端是 A，服务器是 B：

1. 第一次挥手：
   A → B：发送 FIN=1，seq=u

   “我没有数据要发了，但还能接收你的数据。”

2. 第二次挥手：
   B → A：发送 ACK=1，ack=u+1

   “我收到了你的关闭请求，但我还有数据要发。”

3. 第三次挥手：
   B → A：发送 FIN=1，seq=v

   “我的数据也发完了，准备关闭。”

4. 第四次挥手：
   A → B：发送 ACK=1，ack=v+1

   “我收到了你的关闭确认。”

四次挥手允许半关闭（一方关闭发送，但仍可接收）。

为什么是三次握手和四次挥手

知其然必须知其所以然，为什么不能是一次，两次，更多次？

1. 为什么是三次握手
   至少是两次握手，因为需要确认双方都准备好通信，A发送SYN，B回一次ACK答复A可以建立连接。
   最后一次A向B发送ACK是A告诉B，确实是“我”要建立新连接，你收到的不是网络中因为网络拥塞等原因
   晚到达的旧SYN报文。同时，通过最后一次ACK，B也能确认A接收数据能力正常。

2. 为什么是四次挥手

   因为TCP是全双工通信，连接的两端都可进行数据发送和接收，断开连接时，A，B双方都需要通告对方自己数据已经发送完成，需要关闭连接, 从而确保双方 各自的发送和接收通道都安全关闭。

TCP与UDP的比较

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是TCP的“轻量级”替代品。以下是二者的比较：

方面	TCP	UDP
连接性	面向连接	无连接
可靠性	可靠（重传、ACK）	不可靠（无重传）
传输类型	字节流	数据报（消息边界）
开销	高（头部20-60字节，额外机制）	低（头部8字节）
速度	较慢（由于可靠性机制）	更快
应用场景	HTTP、FTP、SMTP（需要可靠传输）	DNS、视频流、游戏（容忍丢失）

TCP适合对数据完整性要求高的场景，而UDP适合实时性强的应用。

TCP的头部结构

TCP段的头部至少20字节，包括：

各个字段解释如下:

字段	长度（位）	描述
源端口(Source Port)	16	标识发送方应用程序的端口号
目的端口(Destination Port)	16	标识接收方应用程序的端口号
序列号(Sequence Number)	32	标识发送的数据段的顺序号
确认号(Acknowledgment Number)	32	期望收到的下一个数据段的序列号
标志位	若干	包括SYN、ACK、FIN、RST等控制标志
窗口大小(Window Size)	16	接收方告知发送方自己的缓冲区可用大小
校验和(Checksum)	16	用于检验数据完整性
可选项(Options)	可变	包括MSS、时间戳等可选参数

常见应用和扩展

• 应用：TCP是HTTP/HTTPS、FTP、SSH、SMTP等协议的基础。现代网络中，QUIC（基于UDP的协议）正在部分取代TCP以提高性能。
• 问题与优化：TCP在高延迟网络（如卫星）中表现差；拥塞控制算法不断优化（如BBR算法，使用带宽和延迟估算）。
• 安全性：TCP本身不加密，但常与TLS结合形成HTTPS。