# TCP

## 定义

TCP是面向连接的传输层协议，向应用提供有序字节流。它通过序列号、确认、重传与校验等机制应对丢失、重复和乱序；连接遇到持续故障时仍可能失败，不能理解为任何网络条件下都保证成功交付。

TCP没有应用消息边界：一次发送的数据可以被多次读取，多次发送的数据也可能被一次读取。应用需要时须自行设计分帧方式。

## 性质

### 首部与连接管理

TCP头部记录通信双方的进程、字节流位置和连接状态。

| 字段       | 作用                                   |
| :------- | :----------------------------------- |
| 源端口、目的端口 | 标识通信双方的进程                            |
| 序列号      | 对字节流编号，解决乱序和重复问题                     |
| 确认号      | 期望收到的下一个字节的序号，用于实现可靠传输的ACK机制         |
| 标志位      | SYN发起新连接，ACK表示确认序号有效，FIN释放连接，RST重置连接 |
| 窗口大小     | 用于流量控制，告诉对方自己还能接收多少数据                |

### 三次握手

TCP建立连接需要三次交互。

1. **客户端发送SYN**

   客户端发送SYN包，请求建立连接。

2. **服务端回复SYN + ACK**

   服务端收到后回复SYN+ACK包，表示同意，并确认客户端的请求。

3. **客户端回复ACK**

   客户端收到后回复ACK包，连接建立成功。

三次握手的目的在于同步双方的初始序列号：客户端在SYN中带上自己的初始序号，服务端在SYN+ACK中带上自己的初始序号并确认客户端的序号，客户端最后用ACK确认服务端的序号。经过这三次交互，双方都知道了对方字节流的起点。

### 四次挥手

TCP是全双工的，双方都能独立发送数据。关闭连接时，两个方向可以分别结束。常见的四次挥手依次是主动方的FIN、对方的ACK、对方的FIN、主动方的ACK；如果FIN与ACK合并，实际报文数可以不同。

> [!NOTE]
> 正常建立时双方交换并确认初始序列号。关闭时两个方向分别结束，确认与FIN是否合并取决于时机。

### 可靠性机制

TCP的可靠传输结合序列号、确认与重传；窗口允许未确认数据在一定范围内连续发送。

* **超时重传**：发送数据后启动定时器，如果超时仍未收到ACK，就重发数据。
* **滑动窗口**：允许发送方在未收到确认的情况下连续发送多个数据包，提高效率，同时配合接收方通告的窗口大小实现流量控制。

> [!WARNING]
> 流量控制与拥塞控制不是同一件事。流量控制看接收方还能接收多少数据，防止发送方压垮接收方；拥塞控制看网络还能承载多少数据，防止过多数据注入网络导致整体瘫痪。

## 例子

**三次握手怎样同步初始序列号**

客户端在SYN中放入自己的初始序号，服务端在SYN+ACK中放入自己的初始序号，同时确认客户端的序号；客户端再用ACK确认服务端的序号。三步之后，双方都确认了对方的起始位置，之后每个字节都能按序号定位和确认。

**滑动窗口为什么能提高吞吐量**

如果每发一个数据包都停下来等ACK，链路的往返时间会限制吞吐量。滑动窗口允许发送方在窗口范围内连续发送多个数据包，确认到达后再向前滑动，从而可以提高链路利用率；实际吞吐量仍受窗口、往返时间和网络条件等因素影响。

## 交互探索

逐步查看正常情况下的三次握手与双方序列号确认。

交互演示：三次握手怎样交换初始序列号？。逐步查看TCP连接建立时的\`SYN\`与\`ACK\`。 请在站点操作演示。

## 练习

1. TCP是面向连接的协议，这意味着什么？

   * A.  通信前必须先建立连接
   * B.  每个数据包独立选择路由
   * C.  发送数据后不需要任何确认
   * D.  只能传输文本数据

   答案：A

   TCP在传输数据前要通过三次握手建立连接，之后才在连接上传输字节流。

2. 三次握手的主要目的是什么？

   * A.  同步双方的初始序列号
   * B.  为双方分配端口号
   * C.  加密传输的数据
   * D.  选择数据包经过的路由

   答案：A

   三次握手让双方交换并确认各自的初始序列号，为后续按字节编号和确认打下基础。

3. TCP头部的窗口大小字段有什么作用？

   * A.  记录已经发送的字节总数
   * B.  告诉对方自己还能接收多少数据，用于流量控制
   * C.  标识连接的建立与释放
   * D.  指示上层使用哪个应用层协议

   答案：B

   窗口大小通告接收方的剩余接收能力，发送方据此控制未确认数据的数量。

4. TCP的序列号用于解决哪些问题？

   * A.  数据乱序
   * B.  数据重复
   * C.  路由选择
   * D.  拥塞控制

   答案：A、B

   序列号给字节流编号，接收方据此重排乱序的数据并识别重复的数据；路由由网络层负责。

5. TCP常见的四次挥手中，为什么两个方向需要分别结束？

   * A.  TCP是全双工的，两个方向需要分别关闭
   * B.  每个数据包都要单独确认一次
   * C.  连接必须先由服务端关闭
   * D.  四次挥手用于同步初始序列号

   答案：A

   全双工意味着两个方向的数据流独立结束，各方都要发送自己的FIN并等待对方的ACK，但实际报文数可能因确认与FIN合并而不同。

6. TCP的超时重传机制在什么情况下触发？

   * A.  发送数据后定时器超时，仍未收到ACK
   * B.  接收方窗口大小为0
   * C.  连接完成三次握手
   * D.  应用层主动调用close

   答案：A

   发送方为已发送的数据启动定时器，超时未收到确认就重发，以弥补丢失的数据或确认。

7. 关于流量控制与拥塞控制，下列哪一项正确？

   * A.  流量控制看接收方的接收能力，拥塞控制看网络的承载能力
   * B.  两者都只根据接收方窗口大小调整发送速率
   * C.  流量控制用于防止网络瘫痪，拥塞控制用于防止接收方过载
   * D.  两者都只在UDP中使用

   答案：A

   流量控制防止发送方压垮接收方，拥塞控制防止过多数据注入网络；两者都作用于TCP的发送速率，但观察的对象不同。