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

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TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，广泛用于互联网中的数据传输。它是TCP/IP模型中的核心协议之一，与IP（Internet Protocol，互联网协议）协同工作，负责在多个网络设备之间传输数据。

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

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，广泛用于互联网中的数据传输。它是 TCP/IP 模型中的核心协议之一，与 IP（Internet Protocol，互联网协议）协同工作，负责在多个网络设备之间传输数据。

TCP 协议的主要特点和功能包括：

  1. 面向连接:

    在数据传输开始之前，TCP 需要在两端建立一个连接，通常通过三次握手（three-way handshake）过程完成。

  2. 可靠性传输:

    TCP 提供可靠的数据传输服务，确保数据无差错、不丢失、不重复，并且按序到达。它通过序列号、确认应答（ACKs）、超时重传等机制实现这一点。

  3. 流量控制:

    TCP 使用滑动窗口协议来进行流量控制，防止快速发送方淹没慢速接收方。

  4. 拥塞控制:

    TCP 实现拥塞控制算法，如慢启动（Slow Start）、拥塞避免（Congestion Avoidance）、快速重传（Fast Retransmit）和快速恢复（Fast Recovery），以避免网络拥塞。

  5. 全双工通信:

    TCP 提供全双工服务，意味着数据可以在两个方向上同时传输，双方都可以是发送者和接收者。

  6. 顺序控制和数据重组:

    TCP 在数据包传输中使用序列号对数据包进行排序，确保接收端可以根据这些序列号将数据重新组合成原始的数据流。

  7. 错误检测:

    TCP 头部包含校验和（checksum）字段，用于检测数据在传输过程中的任何错误。

  8. 连接管理:

    TCP 协议管理和维护连接的生命周期，包括连接的建立、数据传输和连接的终止（通常通过四次挥手（four-way handshake）过程实现）。

在 TCP/IP 协议栈中，TCP 位于传输层，正上方是应用层，应用层协议如 HTTP、FTP 等使用 TCP 来保证数据传输的可靠性；正下方是网络层，网络层协议如 IP 负责将数据包路由到正确的目的地。TCP 处理的是端到端的通信，确保数据能够在应用程序之间准确无误地传输。

由于 TCP 提供的可靠性和面向连接的特性，它广泛用于需要保证数据完整性和正确顺序的应用场景，如网页浏览、文件传输、电子邮件发送等。

下面我们再看下完整的 TCP 连接过程，通过这个过程你可以明白 TCP 是如何保证重传机制和数据包的排序功能的。

从下图可以看出，一个完整的 TCP 连接的生命周期包括了 “建立连接”“传输数据” 和 “断开连接” 三个阶段。

一个TCP连接的生命周期

TCP 三次握手

TCP 三次握手（Three-way Handshake）是建立 TCP/IP 网络连接的标准过程，其目的是在两个网络主机之间创建一个可靠的连接。这个过程确保了双方都准备好接收和发送数据，并且同步了双方的初始序列号，用于数据包的正确排序和可靠传输。下面是 TCP 三次握手的详细步骤：

第一次握手：SYN

客户端发送 SYN 包:

客户端选择一个初始序列号（ISN）并向服务器发送一个 SYN（同步）包。这个 SYN 包包含客户端的初始序列号，并且 SYN 标志位被设置为 1，其他标志位（如 ACK）被设置为 0。

第二次握手：SYN-ACK

服务器回应 SYN-ACK 包:

服务器接收到 SYN 包后，发送一个 SYN-ACK（同步 - 确认）包作为回应。该包含有服务器自己的初始序列号，同时将客户端的初始序列号加 1，并在 ACK 字段中回传此值，以确认接收到客户端的 SYN。此时，SYN 和 ACK 标志位都被设置为 1。

第三次握手：ACK

客户端发送 ACK 包:

客户端收到 SYN-ACK 包后，将服务器的序列号加 1，并将这个值放在 ACK 包的确认字段中，发送给服务器。这个 ACK 包的 ACK 标志位设置为 1，表示确认。

握手完成

连接建立:

服务器接收到客户端的 ACK 包后，三次握手完成，客户端和服务器之间建立了一个双向的可靠连接。之后，数据可以在双方之间开始传输。

这个过程的关键在于两次增量序列号的交换，这保证了双方都能确认对方已准备好进行通信，并且正确地维护了 TCP 的状态信息。三次握手可以防止历史连接的初始化数据段突然出现在当前连接中，从而导致不可预料的问题。

简化的表示如下：

1
2
3
4
客户端                     服务器
  |-----SYN(X)------------>|
  |<----SYN(Y), ACK(X+1)---|
  |-----ACK(Y+1)---------->|

其中，X 和 Y 分别是客户端和服务器选择的初始序列号。

值得注意的是，TCP 三次握手仅仅是建立连接的一部分，数据传输会在三次握手之后开始，而在数据传输结束后，TCP 用另一个独立的四次挥手（Four-way Handshake）过程来关闭连接。

TCP 四次挥手

TCP（传输控制协议）四次挥手是用于终止一个已经建立的 TCP 连接的过程。这个过程确保了双方都能够完成数据传输并且正确关闭连接。以下是 TCP 四次挥手的详细步骤：

第一次挥手：FIN_WAIT_1

  • 假设客户端决定关闭连接，它发送一个 FIN（结束）标志的 TCP 段给服务器，表示客户端已经没有数据要发送了。
  • 客户端进入 FIN_WAIT_1 状态，等待服务器的确认。

第二次挥手：CLOSE_WAIT

  • 服务器收到这个 FIN 段后，发送一个 ACK（确认）标志的 TCP 段作为回应，确认已经收到客户端的终止请求。
  • 服务器进入 CLOSE_WAIT 状态，此时客户端收到 ACK 后进入 FIN_WAIT_2 状态。
  • 此时，客户端到服务器的连接已经关闭，但是服务器如果还有数据要发送，可以继续发送。

第三次挥手：LAST_ACK

  • 当服务器完成数据发送后，它也会决定关闭连接，发送一个 FIN 标志的 TCP 段给客户端。
  • 服务器进入 LAST_ACK 状态，等待客户端的确认。

第四次挥手：TIME_WAIT

  • 客户端收到服务器的 FIN 段后，发送一个 ACK 标志的 TCP 段作为回应，确认已经收到服务器的终止请求。
  • 客户端进入 TIME_WAIT 状态，持续 2 个最大段生命周期（MSL）的时间后，确保服务器能够接收到确认，然后关闭连接。
  • 服务器收到 ACK 后，关闭连接，进入 CLOSED 状态。

这个过程确保了双方都有机会完成数据传输并清理连接。如果在四次挥手过程中的任何一步发生网络延迟或丢包，TCP 协议会重试发送丢失的段，直到成功完成四次挥手过程。这个过程是 TCP 提供可靠传输服务的关键机制之一。

简化的表示如下：

1
2
3
4
5
 客户端                       服务器
FIN_WAIT_1    |-----FIN---->|
FIN_WAIT_2    |<----ACK-----| CLOSE_WAIT
              |<----FIN-----| LAST_ACK
TIME_WAIT     |-----ACK---->| CLOSED