1.协议特点

TCP 协议是在不可靠的 IP 协议上实现可靠数据传输的协议，主要具有以下特点：

• 面向连接的传输层协议。
• 进程对进程的通信协议。
• 提供可靠交付服务，保证数据无差错、不丢失、不重复且有序。
• 提供全双工通信。

• 面向字节流传输。

  2.报文段结构

  

• 源端口和目的端口：发送进程和接收进程的端口号。

• 序号：当前报文段所发送的字节流的第一个字节的序号。
• 确认号：期望收到的下一个报文段的、数据部分的、第一个字节的序号。若确认号为 N，则表明序号 N-1 为止的所有数据都以正确接收。
• 数据偏移：首部长度，单位为 4B，所以 TCP 首部最大长度为 60B。
• 保留：当前不做使用，应置 0。
• 紧急位URG：当 URG 置 1 时，紧急指针字段有效，表示此报文段有紧急数据，系统应尽快传送。
• 确认位ACK：当 ACK 置 1 时，确认号字段有效。
• 推送位PSH：当 PSH 置 1 时，表示当前报文段应尽快交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满之后再向上交付。
• 复位位RST：当 RST 置 1 时，表示 TCP 连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重建运输连接。
• 同步位SYN：当 RST 置 1 时，表示这是一个连接请求或者连接接受报文。
• 终止位FIN：当 RST 置 1 时，表示此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。
• 窗口：允许发送方发送的数据量。
• 校验和：校验整个报文段。
• 紧急指针：紧急数据在报文段数据的最前面，紧急指针指出紧急数据有多少字节。

  3.建立连接

  TCP 连接的端口是套接字（Socket），每条 TCP 连接被通信的两个套接字确定。
  

1. 第一步：客户机向服务器发送 TCP 连接请求报文段。这个特殊报文段的 SYN 被置位 1，同时选择一个初始化序号 。TCP 协议规定，SYN 报文段不能携带数据，但要消耗掉一个序号。发送连接请求报文段之后，客户机进程进入SYN-SENT（同步已发送）状态。
2. 第二步：服务器收到连接请求报文段后，如果同意建立连接，则向客户机发回确认，并为该 TCP 连接分配缓存。连接确认报文段中，SYN 位和 ACK 位都置为 1，确认号 ，同时也为自己选择一个初始序号 。发送连接确认报文段后，服务器进入SYN-RCVD（同步收到）状态。

3. 第三步：客户端收到服务器的连接确认报文段后，还要向服务器给出确认，并为该 TCP 连接分配缓存。确认报文段的 ACK 置 1，确认号，序号。该报文段可以携带数据，若不携带数据则不消耗序号。此后客户端就进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。

   4.释放连接

   参与 TCP 连接的两个进程中的任何一方都能终止该连接。
   

4. 第一步：客户机打算关闭连接时，就像服务器发送连接释放报文段，并停止发送数据。该报文段的终止位 FIN 被置为 1，序号 （等于前面已传送过的字节流的最后一个字节的序号加 1）。同样，FIN 置 1 的报文段不能携带数据，但也要消耗掉一个序号，然后客户机进入 FIN-WAIT-1（终止等待 1）状态。

5. 第二步：服务器收到连接释放报文段后即发出确认，确认号，序号（等于前面已传送过的字节流的最后一个字节的序号加 1），然后服务器进入CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。此时，客户机到服务器方向的连接的释放完毕，但服务器到客户机方向的连接任然存在，服务器依然可以向客户机发送数据，且客户机也会接收。
6. 第三步：若服务器已经没有数据要向客户机发送，就向客户机发送连接释放报文段。该报文段终止位 FIN 置 1，确认位 ACK 置 1，序号（就表示服务器向客户机发送的字节流长度），确认号依旧为，然后服务器进入LAST-ACK（最后确认）状态。
7. 第四步：客户机收到服务器的连接释放报文段后即发出确认，该报文段确认位 ACK 置 1，确认号，序号。特别注意，发送完该报文段之后，客户机必须等待 2MSL（最长报文段寿命）时间后，才能关闭连接。

   5.可靠传输机制

• 校验机制：在计算校验和时，首先要在 TCP 报文段之前添加 12B 伪首部，它包括源 IP 地址、目的 IP 地址、8 位保留字节、8 位传输层协议号（TCP是 6，UDP是 16）和 16 位报文段长度。如果 TCP 报文段的数据部分不是偶数字节，还要在末尾添加一个不发送的全 0 字节，再做校验和计算。
• 序号：TCP 协议将字节建立在字节流上，而不是报文段上。
• 确认：TCP 默认使用累计确认机制，只确认数据流中至第一个丢失字节为止的字节。

• 重传

  • 超时重传：TCP 每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计时器。计时器设置的重传时间到期但还未收到确认时，就要重传这一报文段。TCP 采用自适应算法设置计时器重传时间，这是一个基于报文段往返时延的加权平均往返时间，会随新测量往返实验样本值的变化而变化。
  • 冗余ACK：TCP规定，当接收方收到比期望序号大的失序报文段是，就发送一个冗余ACK，指明下一个期待字节的序号。当发送方收到对同一报文段的 3 个冗余 ACK 时，就认为跟踪这个被确认报文段之后的报文段丢失。

    6.流量控制

    接收窗口（rwnd）：接收方根据自己接收缓存的大小，动态地调整发送方的发送窗口大小，即调整 TCP 报文段首部中的“窗口”字段值。
    拥塞窗口（cwnd）：发送方根据其对当前网络拥塞成都的估计而确定的窗口值，其大小与网络的带宽和时延密切相关。
    
    下面是接收窗口流量控制的简单模型：
    

    7.拥塞控制

    拥塞控制是指防止过多的数据注入网络，保证网络中的路由器或链路不至过载。
    拥塞控制与流量控制的区别：拥塞控制是一个全局性的过程，是对整个网络的宏观调控。流量控制始端对端的控制，主要是协调协议双发收发数据的速率。

    7.1 慢开始和拥塞避免

    

    7.1.1 慢开始算法

    慢开始是指 TCP 开始发送报文段时先设置拥塞窗口为 1，使得发送窗口开始时只发送一个报文段，以此来试探网络的拥塞状况，然后每进过一个传输轮次（即往返时延）拥塞窗口就加倍，直至规定的慢开始门限 ssthresd，再该用拥塞避免算法。

    7.1.2 拥塞避免算法

    每经过一个传输轮次就把发送方拥塞窗口加 1，使拥塞窗口缓慢增长。
    根据拥塞窗口的大小不同，执行不同的算法：

• 当时，使用慢开始算法。

• 当时，使用拥塞避免算法。
• 当时，通常使用拥塞避免算法，也可以使用慢开始算法。

  7.1.3 网络拥塞处理

  无论是在慢开始阶段还是拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（确认超时），就要吧慢开始门限 ssthresh 设置为出现拥塞时的发送方的拥塞窗口值的一半（但不能小于2）。然后将拥塞窗口重新置为 1，再执行慢开始算法。

  7.2 快重传和快恢复

7.2.1 快重传

当发送方连续收到三个重复的 ACK 报文段时，直接重传对方尚未收到的报文段，而不必等待那个报文段设置的重传计时器超时。

7.2.2 快恢复

当发送方连续收到三个冗余 ACK 时，就把慢开始门限 ssthresh 设置为此时发送方拥塞窗口值的一半，然后执行拥塞避免算法。
快恢复认为：发送方收到冗余 ACK 时网络可能没有发生严重拥塞，否则就不会有几个连续 ACK 到达接收方，将拥塞窗口渐变是为了预防网络拥塞的发送。

参考文章