系统梳理 TCP 报文段、三次握手和四次挥手、可靠传输、重传与流量控制机制。

# TCP 特点

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是面向连接、可靠、面向字节流的传输层协议。

主要特点：

• 面向连接：传输前建立连接，传输后释放连接。
• 可靠交付：保证无差错、不丢失、不重复、按序到达。
• 面向字节流：应用数据被看作连续字节流。
• 全双工通信：连接双方可以同时发送和接收。
• 点对点：每条 TCP 连接只有两个端点。
• 有流量控制和拥塞控制。

# TCP 报文段格式

TCP 首部最小 20B，最大 60B。

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title: "TCP 报文段格式"
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packet
0-15: "源端口"
16-31: "目的端口"
32-63: "序号"
64-95: "确认号"
96-99: "数据偏移"
100-105: "保留"
106: "URG"
107: "ACK"
108: "PSH"
109: "RST"
110: "SYN"
111: "FIN"
112-127: "窗口"
128-143: "校验和"
144-159: "紧急指针"
160-191: "(选项和填充)"
192-255: "数据 (可变长度)"

重要字段：

# 控制位

# TCP 连接

一条 TCP 连接由四元组唯一标识：

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源 IP, 源端口, 目的 IP, 目的端口

同一台服务器可以同时维护大量连接，因为不同客户端的 IP 或端口不同。

# 三次握手

TCP 通过三次握手建立连接。

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sequenceDiagram
    participant C as Client
    participant S as Server
    C->>S: SYN=1, seq=x
    S-->>C: SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1
    C->>S: ACK=1, seq=x+1, ack=y+1

过程：

1. 客户端发送 SYN，选择初始序号 x ，进入 SYN-SENT 。
2. 服务器收到后返回 SYN+ACK，选择初始序号 y ，确认 x+1 ，进入 SYN-RECEIVED 。
3. 客户端返回 ACK，确认 y+1 ，连接建立。

三次握手目的：

• 双方确认对方发送能力和接收能力正常。
• 同步双方初始序号。
• 避免旧连接请求报文造成错误连接。

# 四次挥手

TCP 是全双工协议，两个方向的数据流需要分别关闭，因此通常需要四次挥手。

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sequenceDiagram
    participant A as 主动关闭方
    participant B as 被动关闭方
    A->>B: FIN=1, seq=u
    B-->>A: ACK=1, ack=u+1
    B->>A: FIN=1, seq=w
    A-->>B: ACK=1, ack=w+1

状态理解：

• 主动关闭方发送 FIN 后进入 FIN-WAIT-1 。
• 收到 ACK 后进入 FIN-WAIT-2 。
• 收到对方 FIN 后发送 ACK，进入 TIME-WAIT 。
• 等待 $2MSL$ 后关闭。

# 为什么要 TIME-WAIT

主动关闭方等待 $2MSL$ 的原因：

1. 确保最后一个 ACK 能到达对方；若 ACK 丢失，对方重发 FIN，主动关闭方还能再次 ACK。
2. 让旧连接中的残留报文在网络中消失，避免影响后续新连接。

# 为什么挥手通常是四次

收到 FIN 只表示对方不再发送数据，但本端可能还有数据没发送完。因此 ACK 和本端 FIN 通常分开发送。

# TCP 可靠传输

TCP 可靠传输依靠多种机制共同完成：

# 序号与确认号

TCP 是面向字节流的，序号按字节编号，而不是按报文段编号。

若某报文段：

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seq = 100
数据长度 = 500B

则该报文段携带字节：

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100 ~ 599

接收方正确收到后，返回：

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ack = 600

表示 “下一个期望收到 600 号字节”。

# 累积确认

TCP 使用累积确认。若接收方返回 ack = 1000 ，表示 1000 之前的所有字节都已正确收到。

若中间缺失某段，即使后续字节到达，接收方通常仍确认缺失位置。

例：

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收到 0~499
收到 1000~1499
缺少 500~999

接收方仍返回：

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ack = 500

# 超时重传

发送方为已发送但未确认的数据设置重传计时器。若超时未收到确认，就重传。

关键问题：超时时间 RTO 如何设置？

• 太短：可能误判网络延迟，导致不必要重传。
• 太长：真正丢包时恢复太慢。

TCP 根据 RTT 动态估算 RTO。

# 滑动窗口与流量控制

TCP 使用滑动窗口机制允许连续发送多个字节，而不必每发一个报文段就等待确认。

接收方通过 TCP 首部中的窗口字段告诉发送方：自己还能接收多少字节。

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可发送数据量 = min(接收窗口 rwnd, 拥塞窗口 cwnd)

其中：

• rwnd 由接收方缓存空间决定，用于流量控制。
• cwnd 由网络拥塞程度决定，用于拥塞控制。

# 零窗口

如果接收方窗口为 0，发送方不能继续发送普通数据。

为避免死锁，发送方会发送零窗口探测报文，询问接收窗口是否恢复。

# 本节考点

1. TCP 面向连接、可靠、面向字节流、全双工。
2. TCP 首部最小 20B，数据偏移字段以 4B 为单位。
3. seq 表示本段第一个数据字节序号，ack 表示期望收到的下一个字节。
4. SYN 和 FIN 各消耗一个序号。
5. 三次握手用于确认双向通信能力并同步初始序号。
6. 四次挥手源于 TCP 全双工，两个方向需要分别关闭。
7. TIME-WAIT 等待 $2MSL$ 是为了可靠关闭和清除旧报文。
8. TCP 可靠传输依靠序号、确认、校验和、重传和滑动窗口等机制。