TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议） 是互联网协议族（TCP/IP）中的核心协议之一，负责在网络中提供可靠的、面向连接的字节流传输服务。

TCP 的核心特点

1.面向连接（Connection-Oriented）

• 通信双方在传输数据前需先建立逻辑连接（通过 “三次握手” 实现），数据传输完成后释放连接（“四次挥手”）。
• 类似 “打电话”，需先拨号建立连接，通话结束后挂断。

2.可靠性（Reliability）

• 通过确认机制（ACK）确保数据到达：发送方发送数据后等待接收方确认，未确认则重传。
• ** 序列号（Sequence Number）和确认号（Acknowledgment Number）** 机制：确保数据按顺序接收，乱序时重新排序。
• 流量控制（Flow Control）：通过滑动窗口（Sliding Window）机制避免发送方发送速度超过接收方处理能力。
• 拥塞控制（Congestion Control）：避免网络拥塞，动态调整发送方的传输速率（如慢启动、拥塞避免、快速重传等算法）。

3.字节流服务（Byte Stream Service）

• 数据被视为无边界的字节流，发送方逐字节写入，接收方逐字节读出，不保留消息边界（与 UDP 的 “数据报” 服务不同）。

TCP 报文段（Segment）格式

TCP 数据传输的基本单位是报文段，其头部格式如下（共 20 字节固定部分，可包含可选字段）：\

字段	长度	说明
源端口号	16 位	发送方端口号（标识应用进程）
目的端口号	16 位	接收方端口号（标识应用进程）
序列号	32 位	本报文段数据的第一个字节在字节流中的编号
确认号	32 位	期望接收的下一个字节的编号（表示已成功接收该编号之前的数据）
数据偏移	4 位	头部长度（以 4 字节为单位，标识可选字段的长度）
保留	6 位	保留字段（未使用，置 0）
控制位	6 位 包含多个标志位：	- URG（紧急指针有效） - ACK（确认号有效） - PSH（推送数据） - RST（重置连接） - SYN（建立连接） - FIN（释放连接）
窗口大小	16 位	接收方的接收窗口大小（用于流量控制，单位为字节）
校验和	16 位	对头部和数据进行校验，确保数据完整性
紧急指针	16 位	配合 URG 标志，标识紧急数据的末尾位置
可选字段	可变长度	如最大段大小（MSS）、时间戳（Timestamp）等

客户端和服务器端函数调用

1.客户端（发送端）

1.socket()创建TCP套接字
2.connect()连接服务器端（接收端）的TCP套接字
3.连接成功，调用send()或write()发送数据

2.服务器端（接收端）

1.socket()创建TCP套接字
2.bind()绑定套接字与服务器地址
3.listen()监听套接字上的连接请求
4.accept()接收连接请求建立连接，成功会返回一个新的文件描述符
5.当服务器与客户端成功建立连接，调用recv()或read()接收数据

TCP 连接管理：三次握手与四次挥手

1.三次握手（建立连接）

步骤：
客户端→服务器：发送 SYN 报文段（序列号 = J，SYN=1），请求建立连接。
服务器→客户端：发送 SYN+ACK 报文段（序列号 = K，确认号 = J+1，SYN=1，ACK=1），确认客户端请求并发起自身连接请求。
客户端→服务器：发送 ACK 报文段（序列号 = J+1，确认号 = K+1，ACK=1），确认服务器请求，连接建立完成。
目的：
确保双方确认彼此的接收和发送能力正常。
同步双方的初始序列号（避免历史残留报文段干扰新连接）。

2.四次挥手（释放连接）

步骤：
主动关闭方→被动关闭方：发送 FIN 报文段（序列号 = M，FIN=1），请求关闭连接。
被动关闭方→主动关闭方：发送 ACK 报文段（序列号 = N，确认号 = M+1，ACK=1），确认收到关闭请求（此时连接处于半关闭状态，被动关闭方仍可发送剩余数据）。
被动关闭方→主动关闭方：发送 FIN 报文段（序列号 = P，FIN=1），表示自身数据已发送完毕。
主动关闭方→被动关闭方：发送 ACK 报文段（序列号 = M+1，确认号 = P+1，ACK=1），确认关闭，连接正式释放。
为什么需要四次挥手？
因为 TCP 是全双工通信，双方需各自单独关闭发送通道（主动关闭方先关闭自己的发送通道，被动关闭方处理完剩余数据后再关闭自己的发送通道）。

TCP 与 UDP 的对比

特性	UDP	TCP
连接性	无连接	面向连接（三次握手）
可靠性	不可靠	可靠（重传、排序）
传输效率	高（开销小）	低（协议开销大）
应用场景	实时音视频、游戏、DNS	文件传输、网页浏览、邮件
拥塞控制	无	有（慢启动、拥塞避免）
传输单位	数据报（Datagram	字节流（Byte Stream）

TCP 的应用场景

TCP 广泛应用于需要可靠数据传输的场景，例如：

• Web 服务：HTTP/HTTPS 基于 TCP 传输网页数据。
• 文件传输：FTP、SFTP 通过 TCP 保证文件完整传输。
• 电子邮件：SMTP、POP3、IMAP 协议基于 TCP 收发邮件。
• 远程登录：SSH、Telnet 通过 TCP 建立远程连接。
• 数据库访问：MySQL、PostgreSQL 等通过 TCP 进行客户端 - 服务器通信。

TCP 的常见问题与优化

1.超时重传（Timeout Retransmission）

• 发送方在超时未收到 ACK 时重传数据，超时时间需动态调整（如基于 RTT 估算）。

2.拥塞控制算法

• 慢启动（Slow Start）：初始时缓慢增加发送窗口大小，避免瞬间拥塞。
• 拥塞避免（Congestion Avoidance）：窗口增长到阈值后，改为线性增长。
• 快速重传（Fast Retransmit）：收到 3 次重复 ACK 时立即重传，无需等待超时。
• 快速恢复（Fast Recovery）：重传后调整窗口大小，恢复传输效率。

3.延迟确认（Delayed ACK）

• 接收方延迟发送 ACK 以合并多个数据段的确认，减少网络开销。

4.Nagle 算法

• 合并小数据段为一个报文段发送，减少网络中的小包数量（适用于交互式应用，如 SSH）。

总结
TCP 通过复杂的机制确保了数据在不可靠网络中的可靠传输，是互联网的 “可靠基石”。理解 TCP 的原理（如三次握手、四次挥手、流量控制、拥塞控制等）对网络编程、性能优化和故障排查至关重要。如需进一步探讨某一细节（如具体协议抓包分析、优化策略等），可随时补充说明！