# 5.3 TCP协议 ## 一、TCP概述 ### 1.1 什么是TCP **TCP（Transmission Control Protocol）**： - 传输控制协议 - 面向连接的、可靠的传输层协议 - 提供字节流服务 ### 1.2 TCP的特点 - **面向连接**：通信前需要建立连接 - **可靠传输**：保证数据无差错、无丢失、无重复、按序到达 - **字节流**：不保留报文边界 - **全双工**：通信双方可以同时发送和接收 - **流量控制**：防止发送方发送过快 - **拥塞控制**：防止网络过载 ### 1.3 TCP的应用场景 - **HTTP/HTTPS**：网页浏览 - **FTP**：文件传输 - **SMTP/POP3/IMAP**：电子邮件 - **Telnet/SSH**：远程登录 - **数据库访问**：MySQL、Oracle等 --- ## 二、TCP首部格式 ### 2.1 TCP首部结构 ``` 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 | |U|A|P|R|S|F| | | Offset| Reserved |R|C|S|S|Y|I| Window | | | |G|K|H|T|N|N| | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Checksum | Urgent Pointer | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Options | Padding | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | data | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ ``` ### 2.2 TCP首部字段 **源端口（Source Port，16位）**： - 发送方的端口号 **目的端口（Destination Port，16位）**： - 接收方的端口号 **序号（Sequence Number，32位）**： - 本报文段发送的数据的第一个字节的序号 - 用于数据排序和确认 **确认号（Acknowledgment Number，32位）**： - 期望收到对方下一个报文段的第一个字节的序号 - 表示该序号之前的所有数据都已正确接收 **数据偏移（Data Offset，4位）**： - TCP首部长度，单位为4字节 - 最小值：5（20字节） - 最大值：15（60字节） **保留（Reserved，6位）**： - 保留为将来使用 - 置为0 **控制位（Flags，6位）**： - **URG（Urgent）**：紧急指针有效 - **ACK（Acknowledgment）**：确认号有效 - **PSH（Push）**：推送数据 - **RST（Reset）**：重置连接 - **SYN（Synchronize）**：同步序号，用于建立连接 - **FIN（Finish）**：终止连接 **窗口（Window，16位）**： - 接收方允许发送方发送的数据量 - 用于流量控制 - 单位：字节 **校验和（Checksum，16位）**： - 检测TCP首部和数据的错误 - 计算时包括伪首部 **紧急指针（Urgent Pointer，16位）**： - 紧急数据的最后一个字节的序号 - URG=1时有效 **选项（Options，可变）**： - 最大报文段长度（MSS） - 窗口扩大选项 - 时间戳选项 - 选择性确认（SACK） **填充（Padding）**： - 使首部长度为4字节的整数倍 --- ## 三、TCP连接管理 ### 3.1 TCP连接建立（三次握手） **过程**： ``` 客户端 服务器 | | |-------- SYN, seq=x --->| | | |<-- SYN, ACK, seq=y, ack=x+1 --| | | |-------- ACK, ack=y+1 -->| | | ``` **第一次握手**： - 客户端发送SYN报文段 - SYN=1，seq=x（初始序号） - 客户端进入SYN_SENT状态 **第二次握手**： - 服务器发送SYN+ACK报文段 - SYN=1，ACK=1，seq=y（初始序号），ack=x+1 - 服务器进入SYN_RCVD状态 **第三次握手**： - 客户端发送ACK报文段 - ACK=1，ack=y+1 - 客户端和服务器都进入ESTABLISHED状态 **为什么是三次握手**： - 防止历史连接初始化 - 同步双方初始序号 - 确认双方收发能力正常 ### 3.2 TCP连接释放（四次挥手） **过程**： ``` 客户端 服务器 | | |-------- FIN, seq=u --->| | | |<-------- ACK, ack=u+1 --| | | |<-------- FIN, seq=w ----| | | |-------- ACK, ack=w+1 -->| | | ``` **第一次挥手**： - 客户端发送FIN报文段 - FIN=1，seq=u - 客户端进入FIN_WAIT_1状态 **第二次挥手**： - 服务器发送ACK报文段 - ACK=1，ack=u+1 - 服务器进入CLOSE_WAIT状态 - 客户端进入FIN_WAIT_2状态 **第三次挥手**： - 服务器发送FIN报文段 - FIN=1，seq=w - 服务器进入LAST_ACK状态 **第四次挥手**： - 客户端发送ACK报文段 - ACK=1，ack=w+1 - 客户端进入TIME_WAIT状态 - 服务器进入CLOSED状态 - 客户端等待2MSL后进入CLOSED状态 **TIME_WAIT状态**： - 等待2MSL（Maximum Segment Lifetime） - 确保最后一个ACK到达 - 防止旧连接的数据包干扰新连接 **为什么是四次挥手**： - TCP是全双工通信 - 每个方向需要单独关闭 - 一方发送FIN后，另一方可能还有数据要发送 ### 3.3 TCP状态转换 **客户端状态转换**： ``` CLOSED -> SYN_SENT -> ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT -> CLOSED ↓ CLOSE_WAIT -> LAST_ACK -> CLOSED（服务器） ``` **服务器状态转换**： ``` CLOSED -> LISTEN -> SYN_RCVD -> ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT -> LAST_ACK -> CLOSED ``` --- ## 四、TCP可靠传输 ### 4.1 序号和确认机制 **序号**： - 每个字节都有序号 - 报文段的序号是该报文段第一个字节的序号 **确认**： - 累积确认 - 确认号表示期望收到的下一个字节的序号 - 表示该序号之前的所有数据都已正确接收 ### 4.2 超时重传 **超时时间**： - 根据往返时间（RTT）动态计算 - 加权平均：RTTₛ = (1-α)×RTTₛ + α×RTT样本 - 超时时间：RTO = RTTₛ + 4×RTTd **重传**： - 超时未收到确认，重传该报文段 - 重传后超时时间加倍 ### 4.3 快速重传 **机制**： - 收到3个重复ACK，立即重传 - 不需要等待超时 **过程**： 1. 发送方发送报文段1、2、3、4、5 2. 报文段2丢失 3. 接收方收到1、3、4、5 4. 接收方对1重复发送ACK（确认号=2） 5. 收到3个重复ACK后，发送方重传2 ### 4.4 选择性确认（SACK） **机制**： - 接收方告诉发送方已收到的不连续的数据块 - 发送方只重传丢失的数据 **选项**： - TCP选项中的SACK选项 - 最多报告4个数据块 --- ## 五、TCP流量控制 ### 5.1 什么是流量控制 **流量控制**： - 控制发送方的发送速率 - 防止接收方缓冲区溢出 - 端到端的控制 ### 5.2 滑动窗口机制 **接收窗口（rwnd）**： - 接收方告诉发送方自己的接收缓冲区大小 - 发送方发送的数据量不能超过rwnd **发送窗口**： - 发送方可以发送的数据量 - 受rwnd和拥塞窗口cwnd的限制 - 发送窗口 = min(rwnd, cwnd) ### 5.3 窗口调整 **接收方**： - 根据缓冲区剩余空间调整rwnd - 在ACK报文中通告rwnd **发送方**： - 根据rwnd调整发送窗口 - 如果rwnd=0，停止发送 - 启动持续计时器，定期探测窗口大小 ### 5.4 零窗口问题 **问题**： - rwnd=0，发送方停止发送 - 接收方恢复后发送的窗口更新报文丢失 - 双方死锁 **解决**： - 持续计时器（Persistence Timer） - 超时后发送窗口探测报文 --- ## 六、TCP拥塞控制 ### 6.1 什么是拥塞控制 **拥塞**： - 网络中分组过多 - 路由器缓冲区溢出 - 延迟增加、丢包 **拥塞控制**： - 防止网络过载 - 全局性的控制 - 与流量控制的区别： - 流量控制：端到端，防止接收方溢出 - 拥塞控制：全局，防止网络过载 ### 6.2 拥塞窗口（cwnd） **cwnd**： - 发送方根据网络拥塞程度调整的窗口 - 限制发送方的发送速率 - 发送窗口 = min(rwnd, cwnd) ### 6.3 拥塞控制算法 #### 慢开始（Slow Start） **机制**： - 初始cwnd = 1 MSS - 每收到一个ACK，cwnd增加1 MSS - 每经过一个RTT，cwnd翻倍 - 指数增长 **阈值（ssthresh）**： - 慢开始阈值 - cwnd < ssthresh：慢开始 - cwnd ≥ ssthresh：拥塞避免 #### 拥塞避免（Congestion Avoidance） **机制**： - cwnd ≥ ssthresh时 - 每收到一个ACK，cwnd增加1/cwnd - 每经过一个RTT，cwnd增加1 MSS - 线性增长 #### 快重传（Fast Retransmit） **机制**： - 收到3个重复ACK，立即重传 - 不等待超时 #### 快恢复（Fast Recovery） **机制**： - 收到3个重复ACK后 - ssthresh = cwnd / 2 - cwnd = ssthresh + 3 MSS - 进入拥塞避免（不是慢开始） ### 6.4 拥塞控制过程 ``` cwnd │ │ ╱╲ │ ╱ ╲ │ ╱ ╲____ │ ╱ ╲___ │╱ ╲___ └─────────────────────────> 时间 慢开始 拥塞避免 快恢复 ``` **过程**： 1. 初始：cwnd=1，慢开始 2. cwnd指数增长，直到ssthresh 3. 进入拥塞避免，cwnd线性增长 4. 超时：ssthresh=cwnd/2，cwnd=1，慢开始 5. 或3个重复ACK：ssthresh=cwnd/2，cwnd=ssthresh+3，快恢复 ### 6.5 TCP拥塞控制版本 **TCP Tahoe**： - 慢开始 + 拥塞避免 - 超时后cwnd=1 **TCP Reno**： - 增加快重传和快恢复 - 3个重复ACK后快恢复 **TCP NewReno**： - 改进快恢复 - 部分ACK也触发快恢复 **TCP Vegas**： - 基于延迟的拥塞控制 - 预测拥塞，提前调整 **TCP CUBIC**： - Linux默认 - 使用三次函数调整cwnd - 适合高带宽延迟积网络 --- ## 七、TCP与UDP的比较 | 特性 | TCP | UDP | |-----|-----|-----| | 连接 | 面向连接 | 无连接 | | 可靠性 | 可靠 | 不可靠 | | 有序性 | 有序 | 无序 | | 流量控制 | 有 | 无 | | 拥塞控制 | 有 | 无 | | 首部大小 | 20-60字节 | 8字节 | | 传输效率 | 较低 | 高 | | 延迟 | 较大 | 小 | | 应用场景 | 文件传输、网页 | 实时应用、DNS | --- ## 八、考研重点 1. **TCP的特点**： - 面向连接 - 可靠传输 - 字节流 - 全双工 2. **TCP首部格式**： - 各字段的含义 - 序号、确认号 - 控制位（SYN、ACK、FIN等） - 窗口、校验和 3. **TCP连接管理**： - 三次握手：过程、为什么是三次 - 四次挥手：过程、为什么是四次 - TIME_WAIT状态 - 状态转换 4. **TCP可靠传输**： - 序号和确认机制 - 超时重传 - 快速重传 - 选择性确认（SACK） 5. **TCP流量控制**： - 滑动窗口机制 - 接收窗口rwnd - 零窗口问题 6. **TCP拥塞控制**： - 拥塞窗口cwnd - 慢开始 - 拥塞避免 - 快重传 - 快恢复 - 拥塞控制过程 7. **TCP与UDP的比较** --- *下一节：5.4 TCP可靠传输*