计算机网络学习（五）——TCP

一、TCP

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是面向连接的、可靠的、字节流服务的传输层协议，在计算机网络中广泛用于可靠数据传输，如网页加载、文件传输、电子邮件、远程登录等。

TCP 主要用于在两个主机之间建立稳定连接，确保数据完整、按序、无重复地传输，是现代网络中最关键的传输协议之一。

核心特点：

特性	说明
面向连接	在通信前必须先建立连接（三次握手）
可靠传输	确保数据不丢失、不重复、按顺序到达（确认与重传）
全双工通信	双方可同时发送和接收数据（使用独立的发送/接收缓冲区）
字节流服务	数据被当作无结构的字节流发送，传输过程透明
流量控制	控制发送速率，避免接收方被“淹没”
拥塞控制	避免过多数据注入网络导致拥堵

二、TCP 的通信过程

1. 建立连接（三次握手）

Client                          Server| --------- SYN ------------> || <-------- SYN+ACK -------- || --------- ACK ------------> |

• 第一次：客户端发送 SYN 报文，请求建立连接，附带初始序列号 Seq=x；
• 第二次：服务器回复 SYN + ACK 表示同意，附带初始序列号 Seq=y；
• 第三次：客户端发送 ACK 确认，连接建立。

三次握手确保双方都准备好通信，防止失效连接被误认为有效。

2. 数据传输（确认机制）

• TCP 将数据分段发送，每个段都有序号（Seq）和确认号（Ack）；
• 接收方对收到的数据发送 ACK 确认；
• 若发送方长时间未收到确认，则进行重传。

3. 连接释放（四次挥手）

Client                          Server| -------- FIN -------------> || <------- ACK -------------- || <-------- FIN ------------- || -------- ACK -------------> |

• 第一次：客户端发送 FIN，请求关闭；
• 第二次：服务器回应 ACK，进入 CLOSE_WAIT 状态；
• 第三次：服务器准备好后发送 FIN；
• 第四次：客户端回应 ACK，进入 TIME_WAIT 状态，等待一段时间后关闭连接。

每一方单独关闭发送方向，需要 4 个分组完成关闭，双方完全关闭后，连接释放。

三、TCP 报文段结构（重点字段）

TCP报文段结构：

其中，重点字段的作用：

字段	作用
源端口/目标端口	标识应用进程
序号 Seq	标识数据的位置
确认号 Ack	指明希望下一个收到的字节编号
标志位 Flags	SYN、ACK、FIN、RST 等
窗口大小	控制对方最多发送多少字节（流量控制）
校验和	数据完整性验证
可选字段	时间戳、窗口扩展等

四、TCP 的重传机制

在计算机网络中，TCP（传输控制协议）是一种面向连接、可靠的传输层协议。
为了保证数据的可靠性，TCP 提供了 重传机制，即当某个数据包在传输过程中丢失或出现错误时，会进行 重新发送。

1. TCP 重传的触发机制

TCP 重传一般由以下几种情况触发：

（1）超时重传（Timeout Retransmission）

• 每个 TCP 发送的数据包都会设置一个定时器；
• 如果在指定时间内未收到 ACK（确认应答），就认为该包可能丢失；
• 超时后进行重传。

关键参数：
RTO（Retransmission Timeout，重传超时时间）是根据 RTT（往返时延）动态估算出来的，遵循如下公式：

RTO = SRTT + max(G, 4 * RTTVAR)

• SRTT：平滑往返时间估计
• RTTVAR：RTT 偏差
• G：时钟粒度

（2）快速重传（Fast Retransmit）

• 接收方如果收到乱序的数据包，会重复发送对前一个正确数据包的 ACK；
• 发送方如果连续收到三个重复的 ACK，就认为这个包可能丢失；
• 此时不等超时，立即重传丢失的数据包。

这是 TCP 的一个优化策略，用于加快丢包检测速度。

2. 选择性重传（Selective Repeat）

传统的 TCP 只支持基于累计确认的重传方式，但为了提高效率，现代 TCP 实现中引入了：

SACK（Selective Acknowledgment）：

• 接收方可以告诉发送方：我虽然丢了某个包，但其他后续包我都收到了；
• 发送方可以只重传丢失的数据包，避免重传已收到的部分，提升效率。

3. 重传相关的 TCP 状态与字段

TCP 报文段头部中涉及以下关键字段来配合重传机制：

• 序号（Sequence Number）： 标识发送的数据位置；
• 确认号（Acknowledgment Number）： 告知发送方已经成功接收到的数据；
• 窗口大小（Window Size）： 用于流量控制；
• ACK 标志位： 表示确认应答；
• SACK（选择性确认）： 允许接收方告诉发送方哪些乱序包已经收到，从而支持“选择性重传”（Selective Retransmission）。

五、TCP 的流量控制——滑动窗口机制

TCP（Transmission Control Protocol）中的滑动窗口机制是实现流量控制和可靠传输的核心机制之一。它允许 TCP 在不等待确认的情况下发送多个数据包，从而提高网络吞吐量，并根据接收端的处理能力动态调整发送速率。

1. 滑动窗口

滑动窗口是 TCP 中用来控制数据传输的一种机制，它定义了在未收到确认的前提下，发送方最多可以连续发送的字节数。

它包括：

• 发送窗口（Send Window）；
• 接收窗口（Receive Window）；
• 拥塞窗口（Congestion Window，cwnd）（属于拥塞控制，不是滑动窗口的一部分，但协同工作）。

作用：

• 提高传输效率：不必每发一个数据就等待 ACK；
• 实现流量控制：根据接收端的缓冲区动态调整窗口大小；
• 实现可靠传输：通过确认机制配合重传，保证数据正确送达。

2. 发送窗口与接收窗口结构

对发送方而言，发送窗口包括以下几个部分：

+--------+-------------------+------------------------+
| 已确认  | 已发送未确认数据   | 可发送数据（窗口）       |
+--------+-------------------+------------------------+
^        ^                   ^                        ^
send.una send.next           send.window              send.max

• send.una：最早未确认的数据的序列号；
• send.next：下一个准备发送的字节序号；
• send.window：当前允许发送的窗口大小（由接收端通告）；
• send.max：最大可发送序列号（= send.una + window size）。

对接收方而言：

接收窗口也维护一个结构，表示当前可以接收的数据范围。

+------------------------+-----------------+
| 已接收数据             | 可接收的窗口    |
+------------------------+-----------------+
^                        ^                 ^
rcv.buf                 rcv.nxt         rcv.nxt + rcv.wnd

• rcv.nxt：期望接收到的下一个字节序号；
• rcv.wnd：接收窗口大小（由应用程序缓冲区大小决定）；
• 接收方在 ACK 中通告窗口大小，发送方据此控制发送速率。

3. 滑动窗口的工作过程

（1）发送方根据接收方窗口大小，计算自己可发送的数据量；
（2）每次发送一个或多个数据包，等待 ACK；
（3）接收方收到数据后发送 ACK，并通告自己的可用窗口；
（4）发送窗口向前滑动：只要收到 ACK，就将窗口前移；
（5）若窗口变大，可以继续发送新的数据。

六、TCP 的拥塞控制（发送方控制发送速率）

TCP 的拥塞控制机制是为了防止网络中出现过载（即网络拥塞），从而导致数据包丢失、延迟增加和吞吐下降。与滑动窗口负责“流量控制”不同，拥塞控制更多是从网络整体角度出发，控制发送方的数据发送速率。

拥塞控制的流程图：

1. 拥塞控制

TCP 通过动态调整拥塞窗口大小（cwnd），来控制一次能发送多少数据。它遵循的基本原则是：

发现网络没有拥塞 → 增加拥塞窗口；

检测到网络拥塞（如丢包）→ 减小窗口。

这样可以在最大限度利用带宽的同时，避免引发过度拥塞。

2. 拥塞控制的四个阶段（核心算法）

TCP 拥塞控制分为四个阶段，统称为“AIMD（加性增、乘性减）”策略。
TCP拥塞控制的FSM描述：

（1）慢启动（Slow Start）

• 初始时设置 cwnd = 1 MSS（最大报文段长度）；
• 每收到一个 ACK，cwnd 增加 1 MSS（即指数增长）；
• cwnd 每往返一次 RTT 就翻倍；
• 一直增长到慢启动阈值（ssthresh）为止；
• 进入下一阶段：拥塞避免。

（2）拥塞避免（Congestion Avoidance）

• 当 cwnd >= ssthresh，每个 RTT cwnd 增加约 1 MSS；
• 即线性增长；
• 当检测到网络出现拥塞时（例如超时或三次重复 ACK）就进入下一阶段。

（3）快速重传（Fast Retransmit）

• 如果接收到3 个重复 ACK，表示可能有一个报文段丢失；
• 不等超时，立即重传丢失的报文段；
• 此时不进入慢启动，而是进入“快速恢复”。

（4）快速恢复（Fast Recovery）

• 将 ssthresh = cwnd / 2；
• 将 cwnd = ssthresh + 3 MSS（表示收到了 3 个重复 ACK）；
• 随后每收到一个重复 ACK，cwnd += 1 MSS；
• 一旦收到新的 ACK（非重复），将 cwnd = ssthresh，重新进入“拥塞避免”。

3. 窗口控制：发送窗口 = min(rwnd, cwnd)

• rwnd：接收窗口，由接收方控制，表示接收能力；
• cwnd：拥塞窗口，由发送方控制，表示网络允许的发送速率；
• 发送方实际能发的数据量是两者的较小值。

4. 拥塞控制的关键变量

变量	含义
cwnd	拥塞窗口
ssthresh	慢启动阈值，决定从慢启动进入拥塞避免
rwnd	接收窗口，流量控制用
RTT/RTO	判断是否丢包

5. 拥塞窗口随时间变化（示意）

        cwnd|20|                      _______|                   __/10|           _______/|        __/5|     __/|  __/1|_/__________________________> 时间|SLOW |AVOID | FAST  | AVOID...|START|      |RECOV.|

• 最初：cwnd 快速增长（慢启动）；
• 到达阈值后：线性增长（拥塞避免）；
• 突然丢包：快速重传 & 快速恢复；
• 然后再次进入拥塞避免。

6. 实际实现（TCP Reno / NewReno / Cubic 等）

不同操作系统和内核实现中，TCP 拥塞控制算法略有差异：

算法	特点
TCP Reno	标准实现，支持快速重传 & 快速恢复
TCP NewReno	对 Reno 的改进，改进了快速恢复
TCP Cubic	Linux 默认算法，适合高速长距离网络，增长非线性
TCP BBR	Google 提出，基于带宽估计而非丢包控制，低延迟高吞吐

七、典型应用场景

• Web页面传输（HTTP、HTTPS）；
• 文件传输（FTP）；
• 邮件协议（SMTP、POP3、IMAP）；
• 远程登录（SSH、Telnet）；
• 数据库通信（MySQL、PostgreSQL）。