TCP核心机制
1. TCP五大核心机制
1.1. 顺序问题（稳重不乱）
背景：网络传输中数据包可能因路径不同或网络波动导致乱序到达，需保证接收方能按正确顺序处理数据。
原理：
- 序列号（Sequence Number）：每个数据包携带唯一序列号，接收方按序号重组数据。
- 累积确认（Cumulative ACK）：接收方通过ACK确认“已收到的最大连续序号”，例如ACK=6表示1-5号包已按序接收。
- 缓存乱序包：接收方缓存非连续包，待缺失包到达后一并处理。
关键技术：
- 快速重传（Fast Retransmit）：收到3次重复ACK（如ACK=5），立即重传缺失包（6号包）。
- SACK（Selective Acknowledgment）：通过扩展选项标记已接收的非连续包范围（如SACK=8-9），帮助发送方精准重传。
在 TCP 里，接收端会给发送端报一个窗口的大小，叫Advertised window。
发送端需要保持下面的数据结构：
接受端需要保持下面的数据结构：
1.2. 丢包问题（承诺靠谱）
背景：网络拥塞或链路故障可能导致数据包丢失，需确保数据可靠传输。
原理：
- 超时重传（Retransmission Timeout, RTO）：
RTT采样：动态计算往返时间（Round-Trip Time），加权平均历史值（SRTT）。
自适应超时：超时时间 = SRTT + 4×RTT波动值（RTTVAR），避免过早或过晚重传。
指数退避：超时后重传时间加倍（如2×RTO），防止加剧拥塞。
- 快速重传：触发条件为收到3次重复ACK，无需等待超时。
- SACK
示例：
发送方发送包6-9，若包7丢失，接收方持续发送ACK=6；发送方收到3次ACK=6后，立即重传包7。
1.3. 连接维护（有始有终）
背景：TCP是面向连接的协议，需明确建立和释放连接，防止资源泄漏。
原理：
三次握手（建立连接）：
- SYN：客户端发送初始序列号（seq=x）。
- SYN-ACK：服务端确认x+1（ack=x+1），并发送初始序列号（seq=y）。
- ACK：客户端确认y+1（ack=y+1），双方进入ESTABLISHED状态。
- 为什么不是两次？：防止历史SYN包导致无效连接（如网络延迟的重传包）。
四次挥手（释放连接）：
- FIN：主动方发送终止请求。
- ACK：被动方确认。
- FIN：被动方处理完数据后发送终止请求。
- ACK：主动方确认，进入TIME_WAIT状态（等待2MSL）。
- TIME_WAIT作用：确保最后一个ACK到达，避免旧连接数据干扰新连接。
异常处理：
- Keepalive机制：长时间无数据时发送探测包，检测连接存活。
- RST包：强制终止异常连接（如对方进程崩溃）。
1.4. 流量控制（把握分寸）
背景：防止发送速率超过接收方处理能力，导致缓冲区溢出。
原理：
- 滑动窗口（Sliding Window）：
接收窗口（rwnd）：接收方通过ACK告知剩余缓冲区大小（Advertised Window）。
发送窗口：发送方限制未确认数据量 ≤ min(rwnd, cwnd)。
关键策略：
- 零窗口探测：当rwnd=0时，发送方定期发送1字节探测包，避免死锁。
- 糊涂窗口综合征避免：接收方在缓冲区有足够空间（如≥1MSS）时才更新窗口。
示例：
接收方缓冲区满时，发送ACK携带rwnd=0，发送方暂停发送；待接收方处理数据后，通过ACK更新rwnd恢复传输。
1.5. 拥塞控制（知进知退）
背景：防止发送速率超过网络承载能力，导致全局性丢包和拥塞崩溃。
原理：
- 拥塞窗口（cwnd）：动态调整的发送速率上限，与rwnd共同限制发送量。
- 核心算法：
慢启动（Slow Start）：
初始cwnd=1 MSS，每RTT指数增长（cwnd×2）。
当cwnd≥ssthresh（慢启动阈值，默认65535字节）时进入拥塞避免。
拥塞避免（Congestion Avoidance）：
每RTT线性增长（cwnd += 1 MSS）。
快重传与快恢复：
收到3次重复ACK时，ssthresh=cwnd/2，cwnd=ssthresh+3，进入线性增长。
超时重传：
ssthresh=cwnd/2，cwnd=1，重新慢启动。
优化算法（如BBR）：
带宽与时延探测：动态计算最大带宽（BtlBw）和最小RTT（RTprop），按BtlBw×RTprop设置cwnd，避免填满中间设备缓存。
示例：
网络拥塞时，传统TCP通过丢包触发降速；BBR通过测量带宽和时延主动调整，保持高吞吐和低延迟。
总结：
| 机制 | 核心目标 | 关键技术 | 关键参数/算法 |
| 顺序问题 | 数据按序到达 | 序列号、累积确认、SACK | 快速重传、SACK选项 |
| 丢包问题 | 数据可靠传输 | 超时重传、快速重传 | RTT计算、指数退避 |
| 连接维护 | 明确连接生命周期 | 三次握手、四次挥手、TIME_WAIT | Keepalive、RST |
| 流量控制 | 匹配发送与接收速率 | 滑动窗口、零窗口探测 | rwnd、MSS |
| 拥塞控制 | 避免网络过载 | 慢启动、拥塞避免、快恢复、BBR | cwnd、ssthresh、BtlBw、RTprop |