TCP 协议

一、TCP 是什么

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议），属于 传输层协议，基于IP协议提供服务。
TCP是面向连接、可靠传输、全双工协议。HTTP、HTTPS、FTP、SSH 等绝大多数应用层协议底层都使用TCP。

面向连接：通信双方在传输数据前，必须先建立专属连接；通信结束后正常断开连接。
全双工：建立连接之后，双方可以同时收发数据。

二、TCP 核心特性

1. 可靠传输
   通过序列号、确认应答、超时重传机制，保证数据能完整、有序、不重复地送达对方，不会丢失。
2. 流量控制
   接收方缓冲区满的时候，可以通知发送方降低发送速率，防止发送方发太快，接收方来不及处理，造成数据丢失。核心依靠滑动窗口。
3. 拥塞控制
   针对整个网络，当网络链路拥堵时，主动降低发送速度，避免加剧网络拥塞。常见算法：慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复。
4. 面向字节流
   TCP把应用层传来的数据看成一串连续的字节流，没有固定报文边界（没有消息边界），会出现粘包/拆包问题，需要应用层自己处理消息分割。

对比：UDP是无连接、不可靠、面向报文。

三、TCP 报文头部结构

TCP报文段，前面是TCP头部，后面承载应用层数据。
TCP头部默认最小20字节，可选选项最多40字节，头部最大60字节。

主要字段：

• 源端口、目标端口：定位两端应用进程
• 序列号（seq）：本报文段数据第一个字节的编号
• 确认号（ack）：期望收到下一个字节的序列号，ack = 对方seq + 数据长度
• 头部长度：TCP头部占多少字节
• 6个标志位（Flags）
  • URG：紧急指针有效
  • ACK：确认号有效（连接建立后大部分报文ACK=1）
  • PSH：推送，接收方收到直接交给应用层，不缓存
  • RST：重置连接，强制断开
  • SYN：同步，用于建立连接
  • FIN：结束，用于关闭连接
• 窗口大小：流量控制，接收方当前能接收的字节数量
• 校验和：校验TCP头部+数据，检查传输是否出错
• 紧急指针：配合URG标志，标记紧急数据位置

四、三次握手（建立连接）

目的：同步双方序列号，协商初始序列号，确认收发能力正常。

前提：客户端主动发起连接请求，服务端端口处于监听（LISTEN）状态。

1. 第一次握手（SYN）
   客户端发送 SYN=1，携带客户端初始序列号 seq=x。
   含义：客户端请求建立连接。客户端进入 SYN_SENT 状态。
2. 第二次握手（SYN + ACK）
   服务端收到SYN报文，回复 SYN=1，ACK=1；
   ack = x+1；服务端自己的初始序列号 seq=y。
   含义：同意建立连接，确认收到客户端的请求。服务端进入 SYN_RCVD。
3. 第三次握手（ACK）
   客户端收到SYN+ACK，回复 ACK=1；ack = y+1，seq=x+1。
   含义：客户端确认收到服务端的SYN。
   服务端收到这个ACK，双方状态都变为 ESTABLISHED，连接正式建立，可以传输业务数据。

一句话记忆：SYN，SYN+ACK，ACK
思考：为什么不是两次握手？两次握手无法确认客户端接收服务端报文的能力，存在安全与状态问题。

五、四次挥手（断开连接）

TCP连接是全双工，两个方向通道可以独立关闭，所以关闭连接需要四次交互。

1. 第一次挥手（FIN）
   客户端发送 FIN=1，seq=u。客户端不再发送数据，进入 FIN_WAIT1。
   含义：客户端没有数据要发了，请求关闭客户端→服务端方向的通道。
2. 第二次挥手（ACK）
   服务端回复 ACK=1，ack=u+1，seq=v。进入 CLOSE_WAIT。
   含义：收到关闭请求。此时服务端还可以继续向客户端发剩余数据。客户端收到ACK，进入 FIN_WAIT2。
3. 第三次挥手（FIN）
   当服务端所有数据发送完毕，服务端发送 FIN=1，seq=w，ack=u+1。进入 LAST_ACK。
   含义：服务端也没有数据发送，请求关闭服务端→客户端通道。
4. 第四次挥手（ACK）
   客户端收到FIN，回复 ACK=1，ack=w+1，seq=u+1。进入 TIME_WAIT。
   服务端收到ACK，直接进入 CLOSED，连接关闭。
   客户端等待 2MSL 时间之后，才进入 CLOSED。

一句话记忆：FIN，ACK，FIN，ACK
重点：TIME_WAIT 等待2MSL，一是保证对方收到最后ACK；二是等待网络残留报文失效，防止新建连接收到旧数据包。

六、可靠传输核心机制

1. 序列号与确认应答（ACK）
   每个字节都有序号；接收方收到数据后返回ACK，告诉发送方已经收到哪部分数据。
2. 超时重传
   发送报文后开启计时器；如果超时还没有收到ACK，就重新发送该报文，解决丢包问题。
3. 校验和
   接收端校验，如果校验失败，直接丢弃报文，不回复ACK，触发对方超时重传。
4. 去重
   利用序列号识别重复数据包，收到重复报文直接丢弃，保证数据只交付一次。
5. 有序重组
   乱序到达的数据包，接收端根据序列号重新排序，再交给上层应用。

七、流量控制（滑动窗口）

接收方在ACK报文中带上自己的接收窗口大小。
发送方发送数据不能超过接收方窗口剩余容量，避免接收缓冲区溢出。窗口大小动态变化。
窗口单位：字节。

八、拥塞控制

流量控制解决收发两端之间速率匹配；拥塞控制解决整个网络链路拥堵问题。
核心四个阶段：慢启动 → 拥塞避免 → 快重传 → 快恢复。
发送方维护拥塞窗口 cwnd，根据网络情况动态调整发送上限。

九、TCP 粘包与拆包

TCP是字节流，没有边界。

• 拆包：一个完整消息被拆分到多个TCP段传输；
• 粘包：多个短消息被合并成一个TCP段一起发送。

TCP本身不感知业务消息边界，消息拆分逻辑需要应用层自己实现（固定长度、分隔符、消息头携带长度字段）。

十、小结

1. TCP传输层协议，面向连接、可靠、全双工、字节流；
2. 建立连接：三次握手；断开连接：四次挥手；
3. 可靠依靠：序号、ACK、超时重传、校验；
4. 滑动窗口做流量控制；拥塞窗口做拥塞控制；
5. TCP无消息边界，存在粘包拆包，应用层处理。

思考题：TIME_WAIT为什么需要等待2MSL，能不能直接关闭？