TCP

提供面向连接的，可靠的数据传输服务

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[!info] related notes

所属 MOC: computer-networking-moc

三次握手: tcp三次握手

四次挥手: tcp-four-way-handshake

可靠性: tcp-reliability

对比协议: udp

TCP

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）：传输层协议，提供面向连接、可靠、字节流传输服务。通过序列号、确认应答、重传机制、流量控制和拥塞控制来保证数据完整有序地送达。

TCP 报文头关键字段

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          Source Port          |       Destination Port        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Sequence Number                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Acknowledgment Number                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Data |       |C|E|U|A|P|R|S|F|                               |
| Offset| Rsrvd |W|C|R|C|S|S|Y|I|            Window             |
|       |       |R|E|G|K|H|T|N|N|                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

字段	说明
Sequence Number	本报文段数据的第一个字节的序号
Acknowledgment Number	期望收到对方下一个报文段的第一个字节的序号
SYN	同步位，连接建立时置 1
ACK	确认位，置 1 时 Acknowledgment Number 有效
FIN	终止位，表示发送方数据发送完毕
RST	重置位，强制关闭连接
Window	接收窗口大小，用于流量控制

三次握手（建立连接）

客户端                        服务器
  |                              |
  |--- SYN (seq=x) -----------> |  ① 客户端发起连接
  |                              |
  |<-- SYN+ACK (seq=y, ack=x+1) |  ② 服务器确认并同步
  |                              |
  |--- ACK (ack=y+1) ---------->|  ③ 客户端确认
  |                              |
  === 连接建立，双方进入 ESTABLISHED 状态 ===

为什么是三次而非两次？ 防止已失效的连接请求到达服务器，导致资源浪费（两次握手无法确认客户端的接收能力）。

四次挥手（断开连接）

客户端                        服务器
  |                              |
  |--- FIN (seq=u) ------------>|  ① 客户端请求关闭
  |                              |
  |<-- ACK (ack=u+1) ---------- |  ② 服务器确认（半关闭）
  |                              |     客户端不再发送，但仍可接收
  |<-- FIN (seq=w) ------------ |  ③ 服务器也请求关闭
  |                              |
  |--- ACK (ack=w+1) ---------->|  ④ 客户端确认
  |                              |
  === 客户端进入 TIME_WAIT（2MSL）后完全关闭 ===

为什么是四次？ TCP 是全双工的，每个方向需要单独关闭。服务器收到 FIN 后可能还有数据要发送，不能立即关闭。

流量控制 — 滑动窗口

接收方通过 TCP 报文头中的 Window 字段告知发送方：“我还能接收多少字节”。

发送方窗口:
|--- 已发送已确认 ---|--- 已发送未确认 ---|--- 可发送 ---|--- 不可发送 ---|
                     |<------- 发送窗口 ------->|

窗口大小动态调整：接收方处理能力变弱时缩小窗口，变强时扩大
窗口为 0 时发送方暂停发送，定期探测窗口是否恢复

拥塞控制

防止网络拥塞导致大量丢包，TCP 维护一个拥塞窗口（cwnd）：

阶段	策略	说明
慢启动	cwnd 指数增长（1→2→4→8…）	从 1 MSS 开始，试探可用带宽
拥塞避免	cwnd 线性增长（+1 MSS/RTT）	达到阈值后减速增长
快重传	收到 3 个重复 ACK 立即重传	不等超时，快速恢复
快恢复	cwnd 减半（而非归 1）	配合快重传，避免重新慢启动

实际发送窗口 = min（接收窗口, 拥塞窗口）。

TCP vs UDP 对比

特性	TCP	UDP
连接	面向连接（三次握手）	无连接
可靠性	可靠（确认+重传）	不可靠（尽力而为）
有序性	保证有序（序列号）	不保证
流量控制	滑动窗口	无
拥塞控制	慢启动/AIMD	无
头部大小	20~60 字节	8 字节
速度	较慢（控制开销大）	较快
适用场景	HTTP/FTP/邮件/文件传输	DNS/视频流/游戏/VoIP

边界与常见误解

TCP 不是”绝对可靠”：它保证数据有序完整送达，但不保证延迟和吞吐量
三次握手不只是”确认双方能收发”：更重要的是同步初始序列号（ISN）
TIME_WAIT 不是 bug：2MSL 等待是为了确保最后的 ACK 到达以及让旧报文在网络中消亡
TCP 和 UDP 不是对立的：很多协议在 UDP 之上自己实现可靠性（如 QUIC）

TCP