TCP协议学习
2025-07-16 18:56:54 0 举报AI智能生成
TCP (Transmission Control Protocol) 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，在文件传输、电子邮件、浏览器浏览和文件共享等众多领域得到广泛应用。核心内容包括建立连接的三次握手（SYN, SYN-ACK, ACK），保证数据传输顺序与完整性的序列号和确认应答机制，以及动态调整数据传输速率的流量控制（滑动窗口）。此外，TCP通过拥塞控制机制确保在有限的网络资源下有效避免网络拥塞。每个TCP段头信息的类型字段辅助数据交换格式化，常见的文件类型可以包括纯文本、PDF、图片等。修饰语“稳定”、“高效”、“可靠”经常被用来描述TCP协议，强调它在恶劣网络条件下保障数据安全传递的能力。在学习TCP协议时，掌握以上核心原理有助于深入理解数据在互联网中的传输过程。
作者其他创作
大纲/内容
TCP的核心特性
面向连接
三次握手建立连接：通信前需通过SYN/SYN-ACK/ACK三次交互确认双方存在且可通信，确保连接可靠性。
四次挥手终止连接：通过有序的FIN/ACK交互安全关闭连接，避免数据丢失或状态混乱。
可靠传输
序列号与确认应答（ACK）：每个数据包分配唯一序列号，接收方通过ACK确认已收到的数据，丢失时触发重传。
超时重传（RTO）：发送方未收到ACK时，根据往返时间（RTT）动态计算超时时间，重新发送数据。
快速重传（Fast Retransmit）：收到3个重复ACK时，立即重传丢失的数据包（无需等待超时）。
流量控制
滑动窗口（Sliding Window）：接收方通过窗口大小（Window Size）告知发送方剩余缓冲区空间，避免发送过快导致接收方溢出。
零窗口探测：当接收窗口为0时，发送方定期发送探测包，确认接收方是否恢复接收能力。
拥塞控制
慢启动（Slow Start）：初始时以指数增长发送数据，快速探测网络带宽。
拥塞避免（Congestion Avoidance）：达到阈值后线性增长，避免触发拥塞。
快速恢复（Fast Recovery）：收到3个重复ACK时，减半拥塞窗口并重传，快速恢复传输。
拥塞算法：包括Reno、Cubic、BBR等，优化不同网络场景下的性能。
全双工通信
连接建立后，双方可同时发送和接收数据（如客户端上传文件的同时下载数据）。
字节流服务
TCP将应用层数据视为无边界的字节流，不保留消息边界（需应用层协议如HTTP自行处理分帧）
tcp报文结构
TCP报文（Segment）由首部和数据部分组成，首部固定20字节（可选部分可扩展至60字节）
接口情况
源端口
长度
16位
发送方端口号
目标端口
长度
16位
接收方端口号
序列号
长度
32位
数据包在字节流中的起始位置（初始序列号ISN随机生成）
确认号
长度
32位
期望接收的下一个序列号（ACK=1时有效）
首部长度
长度
4位
首部占32位字的数量（最小5，最大15）
保留位
长度
6位
预留未用（需置0）
标志位
长度
6位
URG/ACK/PSH/RST/SYN/FIN（控制连接状态或数据传输）
窗口大小
长度
16位
接收方剩余缓冲区空间（单位：字节）
校验和
长度
16位
检测首部和数据的错误
紧急指针
长度
16位
仅当URG=1时有效，指向紧急数据的末尾
选项
长度
可变
支持MSS（最大段大小）、窗口缩放、时间戳等扩展功能
连接管理
建立连接-三次握手
流程：
客户端发送SYN=1, seq=x（SYN包）。
服务器回复SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1（SYN-ACK包）。
客户端发送ACK=1, seq=x+1, ack=y+1（ACK包），连接建立。
握手目的
确认双方都有通信的意愿
想要发送
想要接受
确认双方都有通信的能力
发送能力
接受能力
握手中的技术点
SYN的作用
ACK的作用
piggybacking-数据捎带
服务端的 SYN 和 ACK 是合并在一起发送的，就节省了一次发送。这个在英文里叫 Piggybacking
终止连接-四次挥手
目的：安全关闭双向连接，确保数据完整性。
流程：
主动关闭方发送FIN=1, seq=u（FIN包）。
被动关闭方回复ACK=1, ack=u+1（ACK包），进入CLOSE_WAIT。
被动关闭方发送FIN=1, seq=v（FIN包），进入LAST_ACK。
主动关闭方回复ACK=1, ack=v+1（ACK包），进入TIME_WAIT（等待2MSL后关闭）
TCP连接中标志位
TCP连接中标志位的意义
TCP（传输控制协议）的标志位（Flags）位于TCP首部的控制位字段（6位），用于控制连接状态、数据传输方式或处理特殊场景
URG（Urgent Pointer Valid，紧急指针有效）
作用：标识紧急数据（需优先处理的数据）是否有效。
使用场景：
当发送方有紧急数据（如中断命令、实时控制信息）需要立即处理时，设置URG=1。
紧急数据位于普通数据流的末尾，通过紧急指针（Urgent Pointer）字段指示其偏移量（从序列号开始的字节位置）。
示例：
客户端发送URG=1, seq=100, ack=200, Urgent Pointer=5，表示序列号100开始的5字节数据为紧急数据，接收方应优先处理。
ACK（Acknowledgment，确认号有效）
作用：标识确认号（Acknowledgment Number）字段是否有效。
使用场景：
除三次握手的第一个SYN包外，所有TCP报文通常设置ACK=1，表示确认已收到的数据。
确认号为期望接收的下一个序列号（即已成功接收的最后一个序列号+1）。
示例：
服务器回复SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1，表示已收到客户端的SYN包（序列号x），并同意建立连接。
PSH（Push Function，推送数据）
作用：要求接收方立即将数据推送至应用层，而非等待缓冲区填满。
使用场景：
发送方希望接收方尽快处理数据（如交互式应用中的即时响应）。
通常由发送方设置PSH=1，接收方收到后立即将数据交给上层协议（如应用程序）。
示例：
用户按下回车键后，客户端发送PSH=1, ACK=1的报文，确保服务器立即处理输入。
RST（Reset Connection，重置连接）
作用：强制终止当前连接，通常用于异常情况（如端口未监听、连接超时、违反协议规则）。
使用场景：
接收方收到无法处理的报文（如序列号错误、端口未开放）。
主动关闭连接的一方发现异常（如重复收到FIN包）。
防火墙或中间设备主动断开连接。
特点：
发送RST=1的报文后，连接立即终止，无需四次挥手。
接收方收到RST后，会抛出Connection reset by peer错误。
示例：
客户端访问未监听的端口时，服务器返回RST=1, ACK=1的报文。
SYN（Synchronize Sequence Numbers，同步序列号）
作用：用于建立TCP连接，同步双方的初始序列号（ISN）。
使用场景：
三次握手的第一步：客户端发送SYN=1, seq=x的报文，表示请求建立连接。
服务器回复SYN=1, ACK=1的报文，表示同意连接并同步自己的序列号。
特点：
SYN包会消耗一个序列号（即seq=x占用一个字节的序列号空间）。
初始序列号（ISN）是随机生成的，避免旧连接的重放攻击。
示例：
客户端：SYN=1, seq=1000
服务器：SYN=1, ACK=1, seq=2000, ack=1001
FIN（Finish Connection，结束连接）
作用：用于正常终止TCP连接，表示发送方已无数据需要发送。
使用场景：
四次挥手的第一步：主动关闭方发送FIN=1, seq=u的报文。
被动关闭方回复ACK=1后，可继续发送数据（半关闭状态），直至自己也发送FIN包。
特点：
FIN包也会消耗一个序列号（即seq=u占用一个字节的序列号空间）。
连接终止需双方均发送FIN包（全关闭状态）。
示例：
客户端：FIN=1, seq=3000
服务器：ACK=1, ack=3001
（服务器处理完数据后）
服务器：FIN=1, seq=4000
客户端：ACK=1, ack=4001
标志位组合使用
三次握手（SYN+ACK）
客户端：SYN=1, seq=x
服务器：SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1
客户端：ACK=1, seq=x+1, ack=y+1
数据传输（PSH+ACK）
客户端：PSH=1, ACK=1, seq=100, ack=200, data="Hello"
服务器：ACK=1, seq=200, ack=105（确认收到5字节数据）
异常终止（RST）
客户端：RST=1, seq=500, ack=600（强制断开连接）
正常终止（FIN+ACK）
客户端：FIN=1, ACK=1, seq=700, ack=800
服务器：ACK=1, seq=800, ack=701
TCP的11个状态
示意图
子主题
子主题
TCP状态机机制
子主题
状态信息
CLOSED：初始状态，表示没有连接存在。
LISTEN：服务器端等待连接的状态。服务器通过listen()函数进入此状态，准备接受客户端的连接请求。
SYN_RCVD：收到客户端的SYN（同步序列号）包后的状态。表示服务器已收到连接请求，正在等待确认。
SYN_SENT：客户端发送SYN包后等待服务器确认的状态。客户端通过connect()函数发送SYN包，进入此状态。
ESTABLISHED：连接建立完成的状态。表示客户端和服务器之间可以进行数据传输。
CLOSE_WAIT：服务器端收到客户端的关闭连接请求（FIN包）后进入的状态。表示服务器已收到关闭请求，但仍有数据需要发送或处理。
LAST_ACK：服务器端发送完所有数据并发送FIN包后等待客户端确认的状态。
FIN_WAIT_1：客户端主动关闭连接时，发送FIN包后等待服务器确认的状态。
FIN_WAIT_2：客户端收到服务器的ACK确认后进入的状态，等待服务器发送FIN包。
CLOSING：双方同时关闭连接时的一种特殊状态。当客户端和服务器几乎同时发送FIN包时会出现此状态。
TIME_WAIT：客户端收到服务器的FIN包并发送ACK确认后进入的状态。客户端在此状态等待一段时间（通常为2MSL，最大报文段生存时间的两倍），以确保服务器收到ACK确认。
状态流转
appl: passive open：应用程序执行被动打开操作，服务器进入LISTEN状态。
appl: active open：应用程序执行主动打开操作，客户端发送SYN包，进入SYN_SENT状态。
appl: send data：在ESTABLISHED状态下，应用程序可以发送数据。
appl: close：应用程序关闭连接的操作。客户端或服务器发送FIN包，触发状态转换。
recv: SYN：收到SYN包。服务器在LISTEN状态下收到SYN包进入SYN_RCVD状态；客户端在发送SYN包后收到服务器的SYN包（实际是SYN+ACK包，但图中简化表示）会进入ESTABLISHED状态（通过发送ACK确认后）。
recv: ACK：收到确认包（ACK）。用于确认之前发送的SYN或FIN包。
recv: FIN：收到关闭连接请求（FIN包）。触发接收方进入相应的关闭状态。
send: SYN：发送SYN包，用于建立连接。
send: SYN, ACK：同时发送SYN和ACK包，用于确认收到SYN包并同意建立连接。
send: ACK：发送确认包，确认收到数据或关闭请求。
send: FIN：发送关闭连接请求（FIN包）。
send: ：在某些状态下，不需要发送数据，如从TIME_WAIT状态转换回CLOSED状态时。
timeout：超时事件。例如在SYN_RCVD状态下超时未收到ACK确认，会返回到LISTEN状态；在TIME_WAIT状态下等待2MSL时间后，超时转换回CLOSED状态。
转换类型说明
normal transitions for client：客户端的正常状态转换路径。
normal transitions for server：服务器的正常状态转换路径。
state transitions taken when application issues operation：应用程序执行特定操作（如打开、关闭连接）时触发的状态转换。
state transitions taken when segment received：收到特定报文段（如SYN、ACK、FIN）时触发的状态转换。
what is sent for this transition：在状态转换过程中发送的报文段。
TCP性能优化技术
1. Nagle算法
目的：减少小数据包数量，降低网络拥塞。
原理：合并多个小数据包，仅当收到ACK或缓冲区满时发送。
2. 延迟确认（Delayed ACK）
目的：减少ACK包数量，提升吞吐量。
原理：接收方等待一段时间（如40ms）或积累足够数据后再发送ACK。
3. 选择性确认（SACK）
目的：精准重传丢失的数据包，避免重复发送已接收的数据。
原理：在ACK中携带已接收的连续数据块范围（如SACK: 100-200, 300-400）。
4. 时间戳选项（Timestamp）
目的：计算RTT（往返时间），优化超时重传和拥塞控制。
原理：发送方记录发送时间，接收方返回时间戳用于计算延迟。
TCP的局限性
头部开销大：20字节首部（UDP仅8字节），不适合传输小数据。
连接建立慢：三次握手需1.5个RTT，延迟敏感场景（如游戏、视频）可能选择UDP。
状态维护复杂：需跟踪序列号、窗口、拥塞状态等，资源消耗较高。
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