一、定義

TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，由IETF的RFC 793定義。TCP旨在適應(yīng)支持多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的分層協(xié)議層次結(jié)構(gòu)。在因特網(wǎng)協(xié)議族（Internet protocol suite）中，TCP層是位于IP層之上，應(yīng)用層之下的中間層。不同主機(jī)的應(yīng)用層之間經(jīng)常需要可靠的、像管道一樣的連接，但是IP層不提供這樣的流機(jī)制，而是提供不可靠的包交換。因此，TCP協(xié)議的出現(xiàn)，解決了這一問(wèn)題。

二、TCP協(xié)議報(bào)文格式

TCP協(xié)議報(bào)文格式主要包括以下幾個(gè)部分：

1. 源/目的端口號(hào)：

表示數(shù)據(jù)是從哪個(gè)進(jìn)程來(lái)，到哪個(gè)進(jìn)程去。

2. 4位TCP報(bào)頭長(zhǎng)度：

表示該TCP頭部有多少個(gè)32位bit（有多少個(gè)4字節(jié)）。TCP頭部最大長(zhǎng)度是15（2的5次方-1）*4=60字節(jié)，即選項(xiàng)內(nèi)容最多40字節(jié)。

3. 6位標(biāo)志位：

  ? URG：緊急指針是否有效。? ACK：確認(rèn)號(hào)是否有效。? PSH：提示接收端應(yīng)用程序立刻從TCP緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)讀走。? RST：對(duì)方要求重新建立連接；攜帶RST標(biāo)識(shí)的稱為復(fù)位報(bào)文。? SYN：請(qǐng)求建立連接，攜帶SYN標(biāo)識(shí)的稱為同步報(bào)文段。? FIN：通知對(duì)方，本端要關(guān)閉了，攜帶FIN標(biāo)識(shí)的為結(jié)束報(bào)文。

4. 16位校驗(yàn)和：

發(fā)送端填充，CRC校驗(yàn)。接收端校驗(yàn)不通過(guò)，則認(rèn)為數(shù)據(jù)有問(wèn)題。此處的檢驗(yàn)和不光包含TCP首部，也包含TCP數(shù)據(jù)部。

5. 16位緊急指針：

標(biāo)識(shí)哪部分?jǐn)?shù)據(jù)是緊急數(shù)據(jù)。當(dāng)緊急指針置為1，操作系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先讀取該報(bào)文，再讀取緊急指針找到緊急數(shù)據(jù)。

6. 16位窗口大小：

表示當(dāng)前接受數(shù)據(jù)的剩余空間。

此外，TCP協(xié)議報(bào)文格式還包括32位序號(hào)和32位確認(rèn)序號(hào)，用于確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制。

三、TCP協(xié)議特點(diǎn)

TCP協(xié)議具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

1. 面向連接：

TCP是一種面向連接的協(xié)議，通信雙方在傳輸數(shù)據(jù)之前需要先建立連接，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。這種連接方式保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院晚樞蛐浴?/p>

2. 可靠傳輸：

TCP提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)序列號(hào)、確認(rèn)應(yīng)答和重傳機(jī)制來(lái)確保數(shù)據(jù)的完整性和順序性。如果數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中丟失或損壞，TCP會(huì)負(fù)責(zé)重新發(fā)送。

3. 流控制：

TCP使用流控制機(jī)制來(lái)防止發(fā)送方發(fā)送速度過(guò)快，確保接收方能夠處理并消化數(shù)據(jù)。這通過(guò)滑動(dòng)窗口機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4. 擁塞控制：

TCP具有擁塞控制機(jī)制，用于適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，防止過(guò)多的數(shù)據(jù)注入網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致性能下降。

5. 面向字節(jié)流：

TCP將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)視為字節(jié)流，而不是像UDP那樣按照消息邊界進(jìn)行劃分。這意味著發(fā)送方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流和接收方接收的數(shù)據(jù)流是連續(xù)的。

6. 全雙工通信：

TCP連接是全雙工的，允許雙方在同一時(shí)間既能發(fā)送數(shù)據(jù)又能接收數(shù)據(jù)。

四、TCP協(xié)議工作機(jī)制

1. 確認(rèn)應(yīng)答（ACK）機(jī)制

當(dāng)客戶端傳輸報(bào)文時(shí)，為了保證報(bào)文被服務(wù)端收到，需要服務(wù)端進(jìn)行回應(yīng)。確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制就是這個(gè)原理，即收到請(qǐng)回復(fù)。32位序號(hào)用來(lái)標(biāo)識(shí)發(fā)送報(bào)文的序號(hào)，確認(rèn)序號(hào)則是在收到報(bào)文為了進(jìn)行應(yīng)答，將收到32號(hào)序號(hào)+1組成確認(rèn)序號(hào)發(fā)生給對(duì)方進(jìn)行應(yīng)答。即32位確認(rèn)序號(hào)=收到的32報(bào)文序號(hào)+1，用來(lái)表示確認(rèn)序號(hào)之前的報(bào)文都收到了。

2. 捎帶應(yīng)答

當(dāng)客戶端給服務(wù)端發(fā)送報(bào)文后，服務(wù)端需要對(duì)發(fā)送的報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答，如果在同時(shí)服務(wù)端也需要發(fā)送報(bào)文，那么應(yīng)答和報(bào)文就會(huì)一起發(fā)送，稱為捎帶應(yīng)答。例如，你和室友聊天，你問(wèn)室友：“你吃了嗎？”室友回復(fù)：“吃了，你作業(yè)寫了嗎？”這段對(duì)話中，室友的回復(fù)包含了應(yīng)答，同時(shí)也傳輸了信息，就是捎帶應(yīng)答。

3. 連接管理機(jī)制

TCP連接管理主要包括三次握手建立連接和四次揮手?jǐn)嚅_(kāi)連接。

（1）三次握手建立連接

以客戶端主動(dòng)發(fā)起連接為例，三次握手的過(guò)程如下：

? 第一次握手：客戶端調(diào)用connect，發(fā)送同步報(bào)文段（SYN），進(jìn)入SYN_SENT狀態(tài)。

? 第二次握手：服務(wù)端監(jiān)聽(tīng)到連接請(qǐng)求（同步報(bào)文段），將該連接放入內(nèi)核等待隊(duì)列中，并向客戶端發(fā)送SYN確認(rèn)報(bào)文和ACK確認(rèn)報(bào)文，進(jìn)入SYN_RCVD狀態(tài)。

? 第三次握手：客戶端收到服務(wù)端的確認(rèn)報(bào)文，進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，開(kāi)始讀寫數(shù)據(jù)。服務(wù)端收到客戶端的確認(rèn)報(bào)文，也進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，可以進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)。

三次握手的原因：雙方通過(guò)兩次SYN報(bào)文的發(fā)送，可以保證全雙工通信信道的暢通，同時(shí)雙方會(huì)交換彼此的窗口大小和滑動(dòng)窗口的頭指針位置。三次握手中的最后一次ACK應(yīng)答的可靠性是無(wú)法保證的，如果服務(wù)端沒(méi)有收到客戶端的ACK應(yīng)答，則服務(wù)端內(nèi)核將不會(huì)浪費(fèi)資源構(gòu)建連接相關(guān)的結(jié)構(gòu)體，但是客戶端在發(fā)送ACK應(yīng)答后（無(wú)論ACK應(yīng)答是否被對(duì)方收到），便默認(rèn)連接建立成功。這種設(shè)計(jì)的意義在于連接建立失敗的資源消耗成本由客戶端來(lái)承擔(dān)，從而減小服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

（2）四次揮手?jǐn)嚅_(kāi)連接

以客戶端主動(dòng)發(fā)起斷開(kāi)連接為例，四次揮手的過(guò)程如下：

? 第一次揮手：客戶端主動(dòng)調(diào)用close，向服務(wù)器發(fā)送結(jié)束報(bào)文段（FIN），同時(shí)進(jìn)入FIN_WAIT_1狀態(tài)。

? 第二次揮手：服務(wù)端收到客戶端的結(jié)束報(bào)文段，返回確認(rèn)報(bào)文段（ACK），進(jìn)入CLOSE_WAIT狀態(tài)?？蛻舳耸盏椒?wù)端的確認(rèn)報(bào)文段，進(jìn)入FIN_WAIT_2狀態(tài)，開(kāi)始等待服務(wù)端的結(jié)束報(bào)文段。

? 第三次揮手：服務(wù)端準(zhǔn)備關(guān)閉連接（需要處理完之前的數(shù)據(jù)），調(diào)用close關(guān)閉連接，向客戶端發(fā)送FIN，此時(shí)服務(wù)器進(jìn)入LAST_ACK狀態(tài)，等待最后一個(gè)ACK到來(lái)（這個(gè)ACK是客戶端確認(rèn)收到了FIN）。

? 第四次揮手：客戶端收到服務(wù)端的FIN，發(fā)出確認(rèn)報(bào)文段（ACK），進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)。服務(wù)端收到對(duì)FIN的ACK，徹底關(guān)閉連接?？蛻舳艘却粋€(gè)2MSL（Max Segment Life，報(bào)文最大生存時(shí)間）的時(shí)間，才會(huì)進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。

TIME_WAIT狀態(tài)主要是為了等待一些在網(wǎng)絡(luò)中或者其他地方已經(jīng)發(fā)送但是還沒(méi)有到達(dá)的數(shù)據(jù)。如果不進(jìn)行等待，當(dāng)重新進(jìn)行連接時(shí)，這些數(shù)據(jù)到達(dá)會(huì)引起混亂。

4. 滑動(dòng)窗口

TCP使用滑動(dòng)窗口機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)流控制，防止發(fā)送方發(fā)送速度過(guò)快，確保接收方能夠處理并消化數(shù)據(jù)。滑動(dòng)窗口的大小表示接收方當(dāng)前接受數(shù)據(jù)的剩余空間。發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)根據(jù)接收方的窗口大小來(lái)調(diào)整自己的發(fā)送速度。當(dāng)接收方的窗口大小變?yōu)?時(shí)，發(fā)送方會(huì)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到接收方發(fā)送窗口更新報(bào)文，告知發(fā)送方自己的接收能力恢復(fù)。

5. 快重傳

快重傳是一種改進(jìn)的TCP重傳機(jī)制。當(dāng)接收方收到一個(gè)失序的報(bào)文段時(shí)，會(huì)立即發(fā)送一個(gè)重復(fù)確認(rèn)報(bào)文（即重復(fù)上一個(gè)報(bào)文段的確認(rèn)序號(hào)），而不是等待超時(shí)后再發(fā)送。發(fā)送方收到連續(xù)三個(gè)或三個(gè)以上的重復(fù)確認(rèn)報(bào)文時(shí)，會(huì)認(rèn)為下一個(gè)報(bào)文段丟失了，立即進(jìn)行重傳，而不需要等待超時(shí)。這樣可以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，提高傳輸效率。

6. 擁塞控制

TCP具有擁塞控制機(jī)制，用于適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，防止過(guò)多的數(shù)據(jù)注入網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致性能下降。擁塞控制主要包括慢啟動(dòng)、擁塞避免、快重傳和快恢復(fù)四個(gè)階段。

? 慢啟動(dòng)：在連接建立初期，發(fā)送方會(huì)以一個(gè)較小的初始窗口大小開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，并逐漸增大窗口大小，直到達(dá)到一個(gè)預(yù)設(shè)的閾值或發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞。

? 擁塞避免：當(dāng)發(fā)送方的窗口大小達(dá)到閾值后，發(fā)送方會(huì)進(jìn)入擁塞避免階段，此時(shí)窗口大小的增長(zhǎng)速度會(huì)減慢，以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。

? 快重傳：如上所述，當(dāng)接收方收到連續(xù)三個(gè)或三個(gè)以上的重復(fù)確認(rèn)報(bào)文時(shí)，會(huì)認(rèn)為下一個(gè)報(bào)文段丟失了，立即通知發(fā)送方進(jìn)行重傳。

? 快恢復(fù)：當(dāng)發(fā)送方收到快重傳的通知后，會(huì)立即進(jìn)行重傳，并將窗口大小減半（但不小于慢啟動(dòng)的初始窗口大小），然后重新進(jìn)入擁塞避免階段。這樣可以更快地恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

五、TCP協(xié)議應(yīng)用示例

TCP協(xié)議在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中具有廣泛的應(yīng)用，以下是一些具體的應(yīng)用示例：

1. Web瀏覽

HTTP協(xié)議使用TCP作為傳輸層協(xié)議，確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸，適用于Web頁(yè)面的加載和數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)用戶訪問(wèn)一個(gè)網(wǎng)頁(yè)時(shí)，瀏覽器會(huì)向服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求，服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，會(huì)將網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容封裝在HTTP響應(yīng)中發(fā)送給瀏覽器。這個(gè)過(guò)程中，TCP協(xié)議負(fù)責(zé)保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸和順序性。

2. 電子郵件

SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）和POP3（Post Office Protocol）等電子郵件協(xié)議使用TCP進(jìn)行郵件的傳輸和接收。當(dāng)用戶發(fā)送一封電子郵件時(shí)，郵件客戶端會(huì)向郵件服務(wù)器發(fā)送SMTP請(qǐng)求

總結(jié)

TCP（傳輸控制協(xié)議）是一種面向連接、可靠的傳輸層協(xié)議，由IETF定義，用于解決IP層不提供可靠流機(jī)制的問(wèn)題。TCP報(bào)文格式包括源/目的端口號(hào)、報(bào)頭長(zhǎng)度、標(biāo)志位、校驗(yàn)和、緊急指針、窗口大小等部分，通過(guò)序列號(hào)和確認(rèn)序號(hào)實(shí)現(xiàn)確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制。TCP具有面向連接、可靠傳輸、流控制、擁塞控制等特點(diǎn)，使用滑動(dòng)窗口、快重傳等機(jī)制提高傳輸效率。其工作機(jī)制包括三次握手建立連接、四次揮手?jǐn)嚅_(kāi)連接等過(guò)程。TCP在Web瀏覽、電子郵件、文件傳輸?shù)葢?yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸和順序性。