概述
TCP，即傳輸控制協(xié)議，英文全稱為Transmission Control Protocol，是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議套件中的核心協(xié)議之一。它工作在OSI七層模型的傳輸層，也工作在TCP/IP四層模型的傳輸層。TCP協(xié)議的主要目的是：在不可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中提供可靠的、面向連接的、基于字節(jié)流的傳輸服務(wù)。
TCP協(xié)議主要具有以下五個(gè)特點(diǎn)。
1、面向連接。TCP在數(shù)據(jù)傳輸之前，必須先建立連接。這種連接是通過三次握手過程建立的，確保雙方都已準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2、可靠性。TCP通過一系列機(jī)制來確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸，包括：序列號、確認(rèn)應(yīng)答、超時(shí)重傳、流量控制和擁塞控制等。如果數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失或出錯(cuò)，TCP會重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到接收方成功接收為止。
3、有序性。TCP保證數(shù)據(jù)按照發(fā)送的順序到達(dá)接收方，即使在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的到達(dá)順序可能被打亂。
4、基于字節(jié)流。TCP將應(yīng)用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)視為一個(gè)無結(jié)構(gòu)的字節(jié)流，而不是一系列的消息。TCP負(fù)責(zé)將字節(jié)流分割成適當(dāng)大小的段，并在接收端重新組合成字節(jié)流。
5、全雙工通信。TCP連接允許雙方同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，即通信是雙向的。
報(bào)文格式
TCP的報(bào)文包括兩個(gè)部分：報(bào)文頭和數(shù)據(jù)。報(bào)文頭又分為固定部分和選項(xiàng)部分。報(bào)文頭固定部分為20個(gè)字節(jié)，各個(gè)字段的含義如下。
1、源端口號：2字節(jié)，標(biāo)識發(fā)送方的應(yīng)用程序端口。
2、目的端口號：2字節(jié)，標(biāo)識接收方的應(yīng)用程序端口。
3、序列號：4字節(jié)，標(biāo)識從TCP源端向目的端發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)流的起始字節(jié)的序列號。
4、確認(rèn)號：4字節(jié)，只有在ACK標(biāo)志位為1時(shí)才有效，表示下一個(gè)期望接收到的字節(jié)的序列號。如果確認(rèn)號為n，則表示接收方已經(jīng)成功接收到了所有序列號小于n的數(shù)據(jù)。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)信息，發(fā)送方將重新發(fā)送報(bào)文段，以防止由于網(wǎng)絡(luò)問題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。
5、數(shù)據(jù)偏移：也稱為報(bào)頭長度，占用4位，表示TCP報(bào)頭長度（以4字節(jié)為單位），因?yàn)門CP報(bào)頭可以包含可選的選項(xiàng)部分。
6、保留：6位，必須置0。
7、標(biāo)志位：6位，每個(gè)標(biāo)志位都有其特定的功能，具體含義如下。
（1）URG：緊急指針有效。
（2）ACK：確認(rèn)號有效。
（3）PSH：推送數(shù)據(jù)到接收應(yīng)用程序。
（4）RST：重置TCP連接。
（5）SYN：在連接建立時(shí)同步序列號。
（6）FIN：沒有更多數(shù)據(jù)從應(yīng)用程序發(fā)送。
8、窗口大小：2字節(jié)，指定發(fā)送方可接收的數(shù)據(jù)量。
9、校驗(yàn)和：2字節(jié)，用于檢測數(shù)據(jù)包中的錯(cuò)誤。
10、緊急指針：2字節(jié)，只有當(dāng)URG標(biāo)志被設(shè)置時(shí)才有意義，指出緊急數(shù)據(jù)的最后一個(gè)字節(jié)相對于序列號的位置。
報(bào)文頭選項(xiàng)部分包含一些可選的信息，比如：最大報(bào)文長度、窗口擴(kuò)大因子、時(shí)間戳等，用于實(shí)現(xiàn)除TCP報(bào)文段頭部指定功能外的擴(kuò)展功能。報(bào)文頭選項(xiàng)部分最長為40個(gè)字節(jié)，因此，TCP報(bào)文頭最長可達(dá)60個(gè)字節(jié)。
報(bào)文頭之后便是數(shù)據(jù)部分，這部分包含了從應(yīng)用程序來的實(shí)際數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的長度可變，并且它的長度加上TCP報(bào)文頭的長度，應(yīng)該等于整個(gè)TCP報(bào)文段的長度。
三次握手
TCP協(xié)議通過三次握手的過程來建立一個(gè)連接，這一過程確保雙方都準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并協(xié)商了一些必要的參數(shù)。三次握手的詳細(xì)步驟如下。
第一次握手（SYN）：客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)SYN（同步序列號）報(bào)文段，這個(gè)報(bào)文段中包含了一個(gè)初始序列號，這個(gè)序列號用于后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，SYN標(biāo)志位置1。報(bào)文段格式為：SYN = 1、序列號 = x。
第二次握手（SYN-ACK）：服務(wù)器接收到客戶端的SYN報(bào)文段后，如果同意建立連接，就會回應(yīng)一個(gè)SYN-ACK報(bào)文段。這個(gè)報(bào)文段中也包含了一個(gè)新的序列號以及對客戶端序列號的確認(rèn)（ACK），確認(rèn)號是客戶端序列號加1。報(bào)文段格式為：SYN = 1、ACK = 1、序列號 = y、確認(rèn)號 = x + 1。
第三次握手（ACK）：客戶端接收到服務(wù)器的SYN-ACK報(bào)文段后，會發(fā)送一個(gè)ACK報(bào)文段作為應(yīng)答。這個(gè)ACK報(bào)文段的確認(rèn)號是服務(wù)器序列號加1，表明客戶端已經(jīng)收到了服務(wù)器的序列號。報(bào)文段格式為：ACK = 1、序列號 = x + 1、確認(rèn)號 = y + 1。
至此，三次握手完成，TCP連接建立成功，雙方現(xiàn)在可以開始交換數(shù)據(jù)了。每個(gè)方向上的數(shù)據(jù)流都使用自己的序列號和確認(rèn)號來跟蹤數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，這樣就可以確保數(shù)據(jù)按照正確的順序到達(dá)目的地，并且可以檢測出丟失或重復(fù)的數(shù)據(jù)包。
為了更加形象地理解TCP協(xié)議三次握手的過程，可以參考下面的時(shí)序圖。
四次揮手
TCP協(xié)議的四次揮手是指在TCP連接的終止過程中，所進(jìn)行的一系列交互。這一過程是為了確保所有已發(fā)送的數(shù)據(jù)都被正確接收，并安全地?cái)嚅_連接。四次揮手的詳細(xì)步驟如下。
第一次揮手（FIN）：發(fā)起方（通常是客戶端）發(fā)送一個(gè)FIN（結(jié)束）報(bào)文段，告訴對方自己已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，希望關(guān)閉連接。這個(gè)報(bào)文段包含一個(gè)FIN標(biāo)志位被設(shè)置，以及一個(gè)序列號。報(bào)文段格式為：FIN = 1、序列號 = x。
第二次揮手（ACK）：接收方（通常是服務(wù)器）接收到FIN報(bào)文段后，發(fā)送一個(gè)ACK報(bào)文段作為應(yīng)答。這個(gè)ACK報(bào)文段的確認(rèn)號是發(fā)起方序列號加1，表明接收方已經(jīng)收到了發(fā)起方的FIN報(bào)文段。報(bào)文段格式為：ACK = 1、序列號 = y、確認(rèn)號 = x + 1。此時(shí)，發(fā)起方到接收方的方向上已經(jīng)完成了關(guān)閉，接收方仍然可以向發(fā)起方發(fā)送數(shù)據(jù)。接收方在發(fā)送完所有數(shù)據(jù)后，才會繼續(xù)后續(xù)的步驟。
第三次揮手（FIN）：當(dāng)接收方也沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，它也會發(fā)送一個(gè)FIN報(bào)文段給發(fā)起方，表示自己也完成了數(shù)據(jù)發(fā)送，希望關(guān)閉連接。報(bào)文段格式為：FIN = 1、ACK = 1、序列號 = z、確認(rèn)號 = x + 1。
第四次揮手（ACK）：發(fā)起方接收到接收方的FIN報(bào)文段后，發(fā)送一個(gè)ACK報(bào)文段作為應(yīng)答。這個(gè)ACK報(bào)文段的確認(rèn)號是接收方序列號加1，表明發(fā)起方已經(jīng)收到了接收方的FIN報(bào)文段。報(bào)文段格式為：ACK = 1、序列號 = x + 1、確認(rèn)號 = z + 1。
至此，連接正式關(guān)閉，雙方都不再發(fā)送數(shù)據(jù)。需要注意的是，在最后一次揮手之后，發(fā)起方和接收方都會進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)和CLOSE_WAIT狀態(tài)一段時(shí)間，以確保所有的數(shù)據(jù)包都被正確接收，并且沒有遲到的數(shù)據(jù)包。在這段時(shí)間過后，連接將完全關(guān)閉。通過四次揮手的過程，TCP確保了在斷開連接之前所有數(shù)據(jù)都被正確接收，從而維持了連接的可靠性。
為了更加形象地理解TCP協(xié)議四次揮手的過程，可以參考下面的時(shí)序圖。
數(shù)據(jù)傳輸
TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過程是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)制，它不僅保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸，還提供了流量控制、擁塞控制等功能。在三次握手建立連接之后、四次揮手關(guān)閉連接之前，TCP會進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸。雙向傳輸過程中涉及到的一些重要機(jī)制和概念包括：數(shù)據(jù)分割與重組、流量控制、擁塞控制、確認(rèn)應(yīng)答、重傳機(jī)制、錯(cuò)誤檢測等。下面，分別進(jìn)行介紹。
1、數(shù)據(jù)分割與重組。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)傳遞給TCP時(shí)，TCP會根據(jù)最大報(bào)文段長度MSS來決定如何將數(shù)據(jù)分割成多個(gè)TCP報(bào)文段。每個(gè)報(bào)文段都包含一個(gè)序列號，該序列號標(biāo)識了這個(gè)報(bào)文段中第一個(gè)字節(jié)在整個(gè)數(shù)據(jù)流中的位置。接收端根據(jù)接收到的報(bào)文段中的序列號將數(shù)據(jù)重新組裝起來，以確保數(shù)據(jù)按照發(fā)送順序正確地重組。
2、流量控制。TCP通過滑動(dòng)窗口機(jī)制來進(jìn)行流量控制，避免發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)過快導(dǎo)致接收方來不及處理。接收方會在其ACK報(bào)文中告訴發(fā)送方當(dāng)前可以接收的最大數(shù)據(jù)量（即窗口大小），發(fā)送方只能發(fā)送不超過這個(gè)窗口大小的數(shù)據(jù)。隨著接收方處理能力的變化，接收窗口的大小會動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)狀況。
3、擁塞控制。為了防止網(wǎng)絡(luò)擁塞，TCP實(shí)現(xiàn)了一系列的擁塞控制算法，比如：慢啟動(dòng)、擁塞避免、快速重傳和快速恢復(fù)等。
（1）慢啟動(dòng)。當(dāng)連接剛剛建立或發(fā)生超時(shí)重傳時(shí)，TCP采用慢啟動(dòng)策略，逐漸增加發(fā)送速率，直到達(dá)到某個(gè)閾值或出現(xiàn)丟包。
（2）擁塞避免。一旦進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，TCP會使用擁塞避免算法來維持一個(gè)相對穩(wěn)定的發(fā)送速率，同時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)擁塞情況。
（3）快速重傳。如果發(fā)送方連續(xù)收到相同的ACK，則認(rèn)為有報(bào)文丟失，并立即重傳該報(bào)文，而不等待超時(shí)定時(shí)器到期。
（4）快速恢復(fù)。在快速重傳后，TCP進(jìn)入快速恢復(fù)階段，繼續(xù)調(diào)整發(fā)送速率，直到網(wǎng)絡(luò)狀況恢復(fù)正常。
4、確認(rèn)應(yīng)答。當(dāng)接收方正確地接收到一個(gè)TCP報(bào)文段后，它會發(fā)送一個(gè)ACK報(bào)文段給發(fā)送方。這個(gè)ACK報(bào)文段中包含了確認(rèn)號，該號碼是期望接收的下一個(gè)字節(jié)的序列號。比如：如果接收方收到了序列號為100到200的數(shù)據(jù)，那么ACK報(bào)文段中的確認(rèn)號將是201，表示“我已經(jīng)收到了直到200為止的所有數(shù)據(jù)，接下來請發(fā)送從201開始的數(shù)據(jù)”。
5、重傳機(jī)制。TCP為每個(gè)報(bào)文段設(shè)置了一個(gè)重傳計(jì)時(shí)器，如果在這個(gè)時(shí)間內(nèi)沒有收到相應(yīng)的ACK，就認(rèn)為報(bào)文段丟失并重發(fā)。如果發(fā)送方收到連續(xù)的重復(fù)ACK，則可能意味著某個(gè)報(bào)文段丟失或延遲，此時(shí)發(fā)送方會提前重傳丟失的報(bào)文段。
6、錯(cuò)誤檢測。每個(gè)TCP報(bào)文段都包含一個(gè)校驗(yàn)和字段，用于檢測傳輸過程中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)損壞。如果計(jì)算出的校驗(yàn)和與接收到的不匹配，報(bào)文段會被丟棄，并要求重傳。
