一文读懂TCP协议（含图解）

在互联网的世界里，信息的可靠传输至关重要。无论您是在浏览网页、发送电子邮件、观看在线视频还是进行视频通话，都离不开一个幕后英雄——TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议）。TCP就像一位负责任的邮递员，确保您的数据包裹（数据包）安全、有序地到达目的地。

本文将深入浅出地讲解TCP协议，带您领略其精妙的设计和工作原理。读完本文，您将对TCP有一个全面而深入的理解。

1. TCP协议概述：可靠传输的基石

1.1 什么是TCP？

TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它位于TCP/IP协议栈的传输层，为应用层提供可靠的数据传输服务。

• 面向连接： TCP在通信双方之间建立一条虚拟的连接，所有数据都通过这条连接进行传输。这就像打电话，先拨号建立连接，然后才能通话。
• 可靠性： TCP保证数据能够按照发送的顺序、无差错、不丢失、不重复地到达接收方。这是TCP最重要的特性，也是它区别于UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）的关键所在。
• 基于字节流： TCP将数据视为一连串的字节，而不是独立的数据包。这意味着TCP可以灵活地控制数据的发送量和发送时机。

1.2 TCP的作用

TCP的主要作用是提供可靠的数据传输服务。它通过以下机制来实现这一目标：

• 连接管理： 建立、维护和关闭连接。
• 数据分段： 将应用层传递下来的数据分割成适合网络传输的数据段（Segment）。
• 流量控制： 防止发送方发送过快，导致接收方来不及处理。
• 拥塞控制： 避免网络拥塞，保证数据传输的效率和公平性。
• 差错控制： 检测和纠正数据传输过程中出现的错误。
• 重传机制： 对于丢失或损坏的数据段进行重传。

1.3 TCP与UDP的区别

TCP和UDP都是传输层协议，但它们的设计理念和应用场景截然不同。

特性	TCP	UDP
连接性	面向连接	无连接
可靠性	可靠	不可靠
顺序性	保证顺序	不保证顺序
流量控制	有	无
拥塞控制	有	无
传输速度	较慢	较快
应用场景	文件传输、网页浏览、电子邮件等	实时音视频、在线游戏、DNS查询等

简而言之，TCP追求可靠性，而UDP追求速度。在需要可靠传输的场景下，例如文件传输、网页浏览、电子邮件等，TCP是首选。而在对实时性要求较高、可以容忍少量数据丢失的场景下，例如实时音视频、在线游戏、DNS查询等，UDP更合适。

2. TCP报文段结构：数据传输的载体

TCP报文段（Segment）是TCP数据传输的基本单位。了解报文段的结构，有助于我们理解TCP的工作原理。

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 |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

下面是对TCP报文段各个字段的解释：

• Source Port（源端口）： 16位，标识发送方的端口号。
• Destination Port（目的端口）： 16位，标识接收方的端口号。
• Sequence Number（序列号）： 32位，标识发送方发送的数据段的序号。用于解决网络包乱序问题。
• Acknowledgment Number（确认号）： 32位，期望收到的下一个数据段的序号。用于确认已成功接收的数据段，实现可靠传输。
• Data Offset（数据偏移）： 4位，指示TCP报文段的首部长度。由于选项字段长度可变，需要这个字段来确定数据部分的起始位置。
• Reserved（保留）： 6位，保留字段，目前未使用。
• Flags（标志位）： 6位，每个标志位有不同的含义：
  • URG（紧急指针有效）： 当URG=1时，表示紧急指针字段有效。
  • ACK（确认序号有效）： 当ACK=1时，表示确认号字段有效。TCP规定，连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置为1。
  • PSH（推送）： 当PSH=1时，接收方应尽快将数据交付给应用层，而不用等到整个缓冲区都填满。
  • RST（复位）： 当RST=1时，表示TCP连接出现严重错误，必须释放连接，然后重新建立连接。
  • SYN（同步）： 在建立连接时使用。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个连接请求报文段。当SYN=1，ACK=1时，表示这是一个连接接受报文段。
  • FIN（终止）： 用于释放连接。当FIN=1时，表示发送方的数据已发送完毕，要求释放连接。
• Window（窗口大小）： 16位，表示发送方自己的接收窗口大小，用于实现流量控制。
• Checksum（校验和）： 16位，用于检测报文段在传输过程中是否出现错误。
• Urgent Pointer（紧急指针）： 16位，仅在URG=1时有效。指出紧急数据的末尾在报文段中的位置。
• Options（选项）： 长度可变，用于支持一些可选的功能，如最大报文段长度（MSS）、窗口扩大选项、时间戳选项等。
• Padding（填充）： 用于保证选项字段和整个TCP报文段首部是4字节的整数倍。
• Data（数据）： 应用层传递下来的数据。

3. TCP三次握手：建立可靠连接

TCP建立连接的过程被称为“三次握手”（Three-Way Handshake）。之所以需要三次握手，是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。

三次握手的过程如下：

1. 第一次握手（SYN）： 客户端向服务器发送一个SYN报文段，其中包含客户端的初始序列号（ISN，Initial Sequence Number）。此时客户端进入SYN_SENT状态。

   • Client: SYN (seq=x)

   • 第二次握手（SYN+ACK）： 服务器收到SYN报文段后，向客户端发送一个SYN+ACK报文段，其中包含服务器的ISN和对客户端ISN的确认（ack=x+1）。此时服务器进入SYN_RCVD状态。

   • Server: SYN+ACK (seq=y, ack=x+1)

   • 第三次握手（ACK）： 客户端收到SYN+ACK报文段后，向服务器发送一个ACK报文段，其中包含对服务器ISN的确认（ack=y+1）。此时客户端进入ESTABLISHED状态，服务器收到ACK报文段后也进入ESTABLISHED状态。

   • Client: ACK (ack=y+1)

为什么需要三次握手？

假设只有两次握手，客户端发送了一个SYN报文段请求建立连接，但由于网络原因，这个报文段滞留在了网络中。客户端超时后，又重新发送了一个SYN报文段，这次成功建立了连接，数据传输完毕后释放了连接。

过了一段时间，之前滞留的SYN报文段到达了服务器。服务器以为客户端又要建立连接，于是发送了一个SYN+ACK报文段。由于只有两次握手，服务器发送完SYN+ACK报文段后就认为连接已经建立了，开始等待客户端发送数据。但客户端并没有发送数据，因为这并不是客户端期望的连接。这样，服务器就白白浪费了资源。

三次握手可以解决这个问题。在第三次握手中，客户端会发送一个ACK报文段来确认服务器的SYN+ACK报文段。如果客户端没有收到正确的SYN+ACK报文段（例如，收到了过期的SYN+ACK报文段），就不会发送ACK报文段，服务器也就不会进入ESTABLISHED状态，从而避免了资源的浪费。

4. TCP四次挥手：优雅地断开连接

TCP断开连接的过程被称为“四次挥手”（Four-Way Wavehand）。与三次握手不同，TCP的断开连接是双向的，每一方都需要发送FIN报文段来终止自己的连接。

四次挥手的过程如下：

1. 第一次挥手（FIN）： 客户端向服务器发送一个FIN报文段，表示客户端已经没有数据要发送了，请求关闭连接。此时客户端进入FIN_WAIT_1状态。

   • Client: FIN (seq=u)

   • 第二次挥手（ACK）： 服务器收到FIN报文段后，向客户端发送一个ACK报文段，确认客户端的FIN报文段。此时服务器进入CLOSE_WAIT状态，客户端进入FIN_WAIT_2状态。

   • Server: ACK (ack=u+1)

   • 第三次挥手（FIN）： 服务器向客户端发送一个FIN报文段，表示服务器也已经没有数据要发送了，请求关闭连接。此时服务器进入LAST_ACK状态。

   • Server: FIN (seq=v)

   • 第四次挥手（ACK）： 客户端收到FIN报文段后，向服务器发送一个ACK报文段，确认服务器的FIN报文段。此时客户端进入TIME_WAIT状态，等待2MSL（Maximum Segment Lifetime，报文段最大生存时间）后关闭连接。服务器收到ACK报文段后立即关闭连接。

   • Client: ACK (ack=v+1)

为什么要等待2MSL？

TIME_WAIT状态的存在有两个主要原因：

• 可靠地实现TCP全双工连接的终止： 假设客户端发送的最后一个ACK报文段丢失了，服务器会超时重传FIN报文段。如果客户端没有TIME_WAIT状态，直接关闭了连接，就无法收到服务器重传的FIN报文段，也就无法再次发送ACK报文段，导致服务器无法正常关闭连接。
• 允许老的重复报文段在网络中消逝： 在网络中，可能存在一些延迟的报文段。如果客户端过早地关闭了连接，然后又使用相同的端口号建立了新的连接，这些延迟的报文段可能会被误认为是新连接的数据，导致错误。TIME_WAIT状态可以确保这些老的重复报文段在网络中消逝，避免干扰新连接。

5. TCP可靠传输的实现：精妙的机制

TCP的可靠性是通过多种机制共同实现的，包括：

5.1 序列号和确认号

TCP使用序列号（Sequence Number）和确认号（Acknowledgment Number）来保证数据的有序性和可靠性。

• 序列号： 发送方为每个发送的数据段分配一个序列号，表示该数据段在数据流中的位置。
• 确认号： 接收方通过确认号来告知发送方已经成功接收了哪些数据段。确认号的值是期望接收的下一个数据段的序列号。

例如，如果接收方收到了序列号为1-1000的数据段，就会发送一个确认号为1001的ACK报文段，表示期望接收序列号为1001的数据段。

5.2 重传机制

TCP使用重传机制来处理数据段丢失或损坏的情况。当发送方发送一个数据段后，会启动一个定时器。如果在定时器超时之前没有收到接收方的确认，就会重传该数据段。

TCP的重传机制有两种：

• 超时重传（Timeout Retransmission）： 发送方在发送一个数据段后，启动一个定时器。如果在定时器超时之前没有收到接收方的确认，就重传该数据段。
• 快速重传（Fast Retransmit）： 如果发送方连续收到三个重复的ACK报文段（即确认号相同的ACK报文段），就认为该ACK报文段对应的数据段丢失了，立即重传该数据段，而不用等到定时器超时。

5.3 滑动窗口

TCP使用滑动窗口（Sliding Window）机制来实现流量控制和提高传输效率。

滑动窗口是一个动态的缓冲区，用于控制发送方可以发送的数据量。窗口的大小由接收方通过TCP报文段中的Window字段告知发送方。

发送方的滑动窗口包含以下几个部分：

• 已发送且已确认： 这部分数据已经成功发送并被接收方确认，可以从缓冲区中移除。
• 已发送但未确认： 这部分数据已经发送，但还没有收到接收方的确认，需要保留在缓冲区中，以便在必要时进行重传。
• 未发送但可以发送： 这部分数据在接收方允许的窗口范围内，可以立即发送。
• 未发送且不可发送： 这部分数据超出了接收方允许的窗口范围，暂时不能发送。

随着数据段的发送和确认，滑动窗口会不断地向前滑动。

5.4 流量控制

流量控制（Flow Control）是为了防止发送方发送过快，导致接收方来不及处理。TCP通过滑动窗口机制来实现流量控制。接收方通过TCP报文段中的Window字段告知发送方自己的接收窗口大小，发送方根据接收窗口大小来调整自己的发送速率。

5.5 拥塞控制

拥塞控制（Congestion Control）是为了避免网络拥塞，保证数据传输的效率和公平性。TCP的拥塞控制机制包括：

• 慢启动（Slow Start）： 在连接建立初期，发送方将拥塞窗口（Congestion Window，cwnd）设置为一个较小的值（通常为1个MSS），然后每收到一个ACK报文段，就将cwnd加倍。
• 拥塞避免（Congestion Avoidance）： 当cwnd达到慢启动阈值（ssthresh）时，进入拥塞避免阶段。在拥塞避免阶段，每收到一个ACK报文段，就将cwnd增加1/cwnd个MSS。
• 快速重传（Fast Retransmit）： 如前所述，快速重传可以更快地发现数据段丢失，提高传输效率。
• 快速恢复（Fast Recovery）： 当发生快速重传时，TCP认为网络可能出现了拥塞。快速恢复算法将ssthresh设置为当前cwnd的一半，然后将cwnd设置为ssthresh+3个MSS，并重传丢失的数据段。如果收到新的ACK报文段，就将cwnd增加1个MSS。

6. 总结：TCP的魅力

TCP协议是一个复杂而精妙的协议，它通过多种机制的协同工作，实现了可靠的数据传输。TCP的设计理念和实现细节，值得我们深入学习和思考。

通过本文，我们了解了：

• TCP协议的定义、作用和与UDP的区别。
• TCP报文段的结构和各个字段的含义。
• TCP三次握手和四次挥手的过程和原理。
• TCP可靠传输的实现机制，包括序列号和确认号、重传机制、滑动窗口、流量控制和拥塞控制。

希望本文能够帮助您更好地理解TCP协议，为您的网络学习和实践打下坚实的基础。