TCP 协议详
一、TCP 协议概述
TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议） 是互联网传输层的核心协议之一，基于 面向连接、可靠传输、流式数据传输 的特性，为应用层提供稳定的数据传输服务。其主要特点包括：
- 可靠性：通过序列号、确认机制、重传机制确保数据无丢失、无重复。
- 面向连接：通信前需建立逻辑连接（三次握手），通信后释放连接（四次挥手）。
- 流量控制：通过滑动窗口机制调节发送方速率，避免接收方缓冲区溢出。
- 拥塞控制：动态调整发送速率，防止网络拥塞导致性能下降。
二、TCP 连接建立与关闭过程
（一）三次握手：建立连接
三次握手的核心是确保 通信双方的发送与接收能力正常，流程如下：
1. 第一次握手（客户端 → 服务器）
- 客户端发送带有 SYN（同步标志）=1 和 初始序列号（Seq=x） 的报文段，请求建立连接。
- 客户端状态从 CLOSED 变为 SYN_SENT。
2. 第二次握手（服务器 → 客户端）
- 服务器收到请求后，返回 SYN=1、ACK（确认标志）=1、确认号（Ack=x+1） 和 服务器初始序列号（Seq=y） 的报文段，确认客户端请求并发起自身连接请求。
- 服务器状态从 CLOSED 变为 SYN_RCVD。
3. 第三次握手（客户端 → 服务器）
- 客户端收到服务器响应后，发送 ACK=1、Ack=y+1 的报文段，确认服务器的连接请求。
- 客户端状态变为 ESTABLISHED；服务器收到后状态也变为 ESTABLISHED，连接正式建立。
（二）四次挥手：关闭连接
当通信结束时，双方通过四次挥手释放连接，流程如下：
1. 第一次挥手（主动关闭方 → 被动关闭方）
- 主动关闭方发送 FIN（结束标志）=1 和 序列号（Seq=m） 的报文段，请求关闭连接。
- 主动关闭方状态从 ESTABLISHED 变为 FIN_WAIT_1。
2. 第二次挥手（被动关闭方 → 主动关闭方）
- 被动关闭方返回 ACK=1、Ack=m+1 的报文段，确认关闭请求，此时被动关闭方仍可发送剩余数据。
- 被动关闭方状态变为 CLOSE_WAIT，主动关闭方收到后变为 FIN_WAIT_2。
3. 第三次挥手（被动关闭方 → 主动关闭方）
- 被动关闭方发送完剩余数据后，发送 FIN=1、Seq=n 的报文段，请求彻底关闭连接。
- 被动关闭方状态变为 LAST_ACK。
4. 第四次挥手（主动关闭方 → 被动关闭方）
- 主动关闭方返回 ACK=1、Ack=n+1 的报文段，确认关闭。
- 主动关闭方状态变为 TIME_WAIT（等待 2MSL 时间以确保报文段失效），最终变为 CLOSED；被动关闭方收到后变为 CLOSED。
（三）三次握手与四次挥手的核心作用
- 三次握手：防止历史连接初始化，确保双方同步序列号。
- 四次挥手：确保数据完全传输，避免丢包导致连接异常关闭。
三、TCP 拥塞控制算法：核心机制与演进
（一）拥塞控制的目标与关键参数
- 目标：在网络拥塞时动态调整发送速率，避免丢包并最大化链路利用率。
- 关键参数：
- 拥塞窗口（cwnd）：发送方当前允许发送的数据量上限，由拥塞控制算法动态调整。
- 慢启动阈值（ssthresh）：区分“慢启动”和“拥塞避免”阶段的阈值。
- 最大段大小（MSS）：单个 TCP 报文段的最大数据量。
（二）经典 TCP 拥塞控制算法
1. 慢启动（Slow Start）
- 核心逻辑：初始时 cwnd 设为 1 MSS，每收到一个确认（ACK）就将 cwnd 翻倍，呈指数增长。
- 目的：快速探测网络可用带宽，避免初始发送量过大导致拥塞。
- 触发条件：连接建立或超时重传后。
- 终止条件：当 cwnd ≥ ssthresh 时，进入拥塞避免阶段。
2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）
- 核心逻辑：cwnd 达到 ssthresh 后，改为线性增长（每轮次增加 1 MSS），避免网络过载。
- 公式：
cwnd = cwnd + (MSS * MSS / cwnd) - 目的：在探测带宽的同时，降低拥塞风险。
3. 快速重传（Fast Retransmit）
- 触发条件：发送方收到 3 个重复的 ACK（表明某个报文段丢失）。
- 核心逻辑：无需等待超时，立即重传丢失的报文段，减少延迟。
- 优化：相比超时重传（需等待 RTO），快速重传能更快恢复传输。
4. 快速恢复（Fast Recovery）
- 配合快速重传使用：
- 收到 3 个重复 ACK 后，将 ssthresh 设为当前 cwnd 的一半。
- 将 cwnd 设为 ssthresh + 3 MSS（假设 3 个 ACK 对应 3 个已接收的报文段）。
- 进入“快速恢复”阶段，cwnd 线性增长，直到收到新的 ACK 后进入拥塞避免阶段。
- 目的：在不降低发送速率的前提下，快速恢复传输，减少带宽浪费。
（三）TCP 拥塞控制算法的演进
| 算法版本 | 核心改进 | 应用场景 |
|---|---|---|
| TCP Reno | 实现“慢启动 + 拥塞避免 + 快速重传 + 快速恢复”四阶段模型 | 早期互联网 |
| TCP NewReno | 优化快速恢复阶段，支持多个报文段丢失时的重传 | 高丢包率网络 |
| TCP SACK | 引入选择性确认（SACK），允许接收方告知发送方哪些报文段已丢失，减少重传量 | 高延迟或丢包网络 |
| TCP CUBIC | 基于数学函数（三次曲线）调整 cwnd，更适应高带宽时延积（BDP）网络 | 数据中心、骨干网 |
| TCP BBR | 基于“带宽探测 + 往返时间（RTT）”动态调整发送速率，减少缓冲区膨胀 | 低延迟、高带宽网络 |
（四）拥塞控制与流量控制的区别
| 维度 | 拥塞控制 | 流量控制 |
|---|---|---|
| 目标 | 防止网络过载（全局视角） | 避免接收方缓冲区溢出（端到端视角） |
| 控制方 | 发送方根据网络状态动态调整 | 接收方通过窗口大小告知发送方 |
| 依据 | 网络拥塞信号（丢包、延迟） | 接收方缓冲区剩余空间 |
四、TCP 协议的其他关键特性
（一）流量控制：滑动窗口机制
- 接收方通过 窗口大小（Window Size） 字段告知发送方当前可接收的数据量，防止缓冲区溢出。
- 当接收方缓冲区满时，窗口大小设为 0，发送方停止发送，直到收到新的窗口更新。
（二）可靠性保障：序列号与确认机制
- 序列号（Seq）：为每个字节数据编号，确保接收方按序重组。
- 确认号（Ack）：接收方返回期望接收的下一个字节编号，确认已收到的数据。
- 重传机制：发送方超时未收到 ACK 时，重传未确认的数据。
（三）TCP 与 UDP 的对比
| 特性 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 连接性 | 面向连接（三次握手/四次挥手） | 无连接（直接发送） |
| 可靠性 | 可靠（重传、确认、排序） | 不可靠（无重传、不保证顺序） |
| 传输效率 | 较低（头部开销大、拥塞控制） | 较高（头部开销小、无额外机制） |
| 应用场景 | 网页浏览、文件传输、邮件 | 实时通信（音视频）、DNS、直播 |
五、TCP 协议的应用与优化方向
（一）典型应用场景
- HTTP/HTTPS：Web 服务的底层传输协议。
- FTP/SMTP/POP3：文件传输与邮件服务。
- 数据库连接：如 MySQL、PostgreSQL 的客户端-服务器通信。
（二）性能优化方向
- 调整拥塞控制算法：根据网络环境选择 CUBIC、BBR 等算法。
- 优化初始窗口（Initial CWND）：提高连接建立后的初始传输效率。
- 减少 RTT 延迟：通过 CDN、就近接入等方式缩短物理距离。
- TCP 快速打开（TFO）：在三次握手中复用历史密钥，减少延迟。
通过以上内容，可全面了解 TCP 协议的连接机制、拥塞控制原理及实际应用，为网络编程、服务器配置及性能优化提供理论基础。