01.TCP

• TCP协议是互联网最核心的通信协议之一
• 它工作在OSI模型的传输层，为应用程序提供可靠、面向连接的数据传输服务
• TCP能够确保数据包按照正确的顺序、无错误地传输到目的地

1、TCP的基本特点

• 面向连接：
  • 在通信双方之间建立一个虚拟连接，确保双方能够进行可靠的数据传输
  • 通信前必须先经过三次握手建立连接，通信结束后通过四次挥手释放连接
• 可靠传输：
  • TCP通过确认机制、重传机制和错误检测保证数据传输的可靠性
• 全双工通信：
  • TCP允许通信双方同时发送和接收数据，意味着在同一时间可以进行双向数据传输
• 有序传输：
  • TCP确保数据包按照发送的顺序到达目的地，
  • 即使在网络中某些数据包先到达，TCP仍会按照正确顺序交付数据
• 流量控制与拥塞控制：
  • TCP通过流量控制和拥塞控制机制，防止网络过载以及接收方无法处理过多的数据

2、TCP报文结构

• TCP数据在传输时被封装成TCP报文段，其报文段的结构如下

• 源端口号（16位）：标识发送数据的端口
• 目的端口号（16位）：标识接收数据的端口
• 序列号（32位）：
  • 用于保证数据的有序性
  • 每个TCP连接中的每个字节都有一个序列号，表示该段数据在整个数据流中的位置
• 确认号（32位）：表示接收方期望收到的下一个字节的序列号，用于实现确认机制
• 数据偏移（4位）：指示TCP报头的长度
• 保留位（6位）：保留字段，暂时未使用
• 标志位（6位）：用于控制TCP状态变化的几个重要标志位：
  • URG：表示数据段中有紧急数据
  • ACK：确认标志，表示确认字段有效
  • PSH：表示接收方应立即将数据交付给上层应用，而不再缓冲
  • RST：重置连接，出现错误时终止连接
  • SYN：用于连接建立的同步标志
  • FIN：表示发送方已经发送完毕，准备关闭连接
• 窗口大小（16位）：用于流量控制，表示发送方能够接收的字节数
• 校验和（16位）：用于检测传输过程中数据是否损坏
• 紧急指针（16位）：指出紧急数据的结束位置
• 选项和填充：用于传输控制的额外信息，如MSS（最大报文段大小）等
• 数据：实际传输的数据内容

3、TCP的连接管理

1）三次握手

• TCP通过三次握手来建立连接，确保双方都准备好开始通信

• SYN：

  • 客户端发送一个SYN（同步）报文段给服务器，表示希望建立连接，并附带客户端的初始序列号

• SYN-ACK：

  • 服务器收到SYN报文段后，回复一个SYN-ACK报文段
  • 表示同意连接，并附带服务器的初始序列号和对客户端SYN的确认

• ACK：

  • 客户端收到服务器的SYN-ACK后，发送一个ACK报文段，确认服务器的序列号，至此连接建立

2）四次挥手

• FIN： 客户端发送一个FIN报文段，表示不再发送数据

• ACK： 服务器收到FIN后，发送ACK报文，确认客户端的请求，但此时服务器仍可能有数据需要发送

• FIN： 服务器发送完所有数据后，也发送一个FIN报文段，表示服务器也准备关闭连接

• ACK： 客户端最后发送一个ACK，确认服务器的FIN，至此连接关闭

3）为什么挥手要四次

• 三次握手是为了确保双方能够建立一个可靠的连接，并且同步彼此的初始序列号

• 为什么是三次？

  • 第一次握手：客户端告诉服务器“我要建立连接，我的序列号是X”

  • 第二次握手：服务器回应“我收到了，我的序列号是Y，同时确认你X号收到了”

  • 第三次握手：客户端再确认“我收到了你的确认，并确认你Y号”

• 为什么是四次？

  • 第一次挥手：客户端告诉服务器“我不再发送数据了”

  • 第二次挥手：服务器回应“我知道了，但我可能还有数据要发，等我发完再告诉你”

  • 第三次挥手：服务器发完数据后告诉客户端“我也不再发送数据了”

  • 第四次挥手：客户端回应“我确认了”，并等待一定时间以确保没有丢失的报文

4、TCP的可靠性机制

1）序列号和确认号

• TCP使用序列号确保数据包按正确顺序传输
• 每个发送的数据段都会附带一个序列号，接收方根据这个序列号确认收到的包是否正确
• 确认机制：
  • 接收方接收到数据后，会向发送方发送一个ACK报文，表明已经收到并期望接收的下一个字节

2）超时重传

• TCP会为每个发送的数据段设置一个计时器，如果在超时时间内没有收到ACK确认，TCP将重传该数据段
• 重传的次数通常是有限的，如果多次重传失败，连接可能会被关闭

3）错误检测

• TCP使用校验和来检测传输中的错误
• 发送方在发送数据时计算数据的校验和
• 接收方根据接收到的数据重新计算校验和
• 如果发现不匹配，则丢弃该数据段

5、TCP的流量控制

• 流量控制是为了防止发送方发送过多的数据，使接收方处理不过来
• TCP使用 滑动窗口机制 控制流量

• 每个TCP连接都有一个窗口大小，表示发送方在不收到确认的情况下可以连续发送的字节数
• 接收方通过在ACK报文中携带窗口大小来告诉发送方自己能够接收的最大数据量
• 当窗口大小变小，发送方必须降低数据传输速度，反之亦然

6、TCP的拥塞控制

• 拥塞控制是为了避免网络出现过载情况而设计的机制
• TCP通过四个算法来进行拥塞控制

• ① 慢启动（Slow Start）

  • 在连接初始或重传超时后，TCP开始时发送数据的速率较慢
  • 随着接收到ACK报文，逐渐增大发送速率
  • 每次成功确认后，发送窗口的大小会加倍，直到达到一个阈值

• ② 拥塞避免（Congestion Avoidance）

  • 当发送窗口达到阈值时，TCP进入拥塞避免阶段
  • 每次成功确认只将发送窗口增加一个段大小，以避免过快增加导致网络拥塞

• ③ 快重传（Fast Retransmit）

  • 当接收方发现有数据丢失时，会连续发送多个重复的ACK
  • 发送方在收到3个相同的ACK时，会立即重传丢失的数据段，而不等待超时

• ④ 快恢复（Fast Recovery）

  • 在快速重传后，TCP并不立即进入慢启动
  • 而是通过快恢复算法继续控制拥塞窗口的增长，避免过于剧烈的传输速率变化

7、TCP与UDP的对比

特性	TCP	UDP
是否面向连接	是	否
传输可靠性	可靠传输，确保数据无丢失、无错序	不保证可靠传输
流量控制与拥塞控制	有	无
适用场景	文件传输、邮件、网页浏览等需要可靠传输的场景	视频流、实时通信、游戏等需要快速传输的场景

02.常见问题

1、三次握手和四次挥手

• TCP的三次握手和四次挥手是什么？为什么需要？

• 三次握手用于确保客户端和服务端都能够正常接收和发送数据，同时允许双方协商初始的序列号
  1. 客户端发送SYN包，表示请求建立连接
  2. 服务端收到后，回复SYN-ACK包，表示接收请求并同意建立连接
  3. 客户端收到后，发送ACK包，确认连接建立
• 四次挥手用于安全、可靠地关闭连接，确保双方的数据传输完成
  1. 客户端发送FIN包，表示结束数据发送
  2. 服务端收到FIN后，回复ACK包，表示同意关闭
  3. 服务端也发送FIN，表示它的数据也传输完成
  4. 客户端回复ACK，最后连接关闭

为什么需要：

• 三次握手可以防止“旧连接请求”带来的误连接问题，同时协商序列号
• 四次挥手确保了双方都能有序、彻底地关闭连接，避免数据丢失

2、TCP如何保证可靠性

• 序列号：每个数据包都有序列号，确保数据按顺序接收
• 确认机制：接收方会发回ACK确认数据接收，发送方在超时未收到ACK时重传数据
• 流量控制：利用滑动窗口机制，发送方根据接收方的窗口大小控制发送速度，避免过载
• 拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等机制，防止网络拥塞
• 重传机制：当发送的数据包丢失或损坏时，发送方会根据超时或接收方的重复ACK进行重传

3、TCP和UDP的区别

• 可靠性：TCP是可靠的连接，确保数据到达且无误；UDP是不可靠的，不保证数据到达

• 连接性：TCP是面向连接的，需要三次握手建立连接；UDP是无连接的，不需要握手

• 传输速度：UDP速度快，适合实时应用；TCP速度相对较慢，但更稳定

• 数据包大小：UDP的数据包较小，头部只有8字节；TCP头部较大，有20字节或更多

• 适用场景：

  • TCP：适合需要高可靠性的数据传输（如HTTP、FTP等）

  • UDP：适合对实时性要求高但允许部分数据丢失的场景（如视频会议、在线游戏等）

4、滑动窗口是什么

• TCP中的滑动窗口是什么？有什么作用？

• 滑动窗口是TCP流量控制的一部分，动态调整发送方的数据传输速率

• 窗口大小：接收方通过窗口大小告知发送方当前能接收的数据量，发送方在不超过窗口大小的情况下发送数据

• 作用：滑动窗口通过限制未确认的数据量，防止发送方传输过多数据造成接收方缓冲区溢出

5、TCP慢启动

• 慢启动是TCP拥塞控制的一个重要机制

• 原理：

  • 刚开始连接时，TCP会以较小的速度发送数据
  • 每次收到ACK后成倍增加发送速率，直到达到拥塞窗口的阈值（拥塞避免状态）

• 目的：防止突然大量数据传输导致网络拥塞，通过逐步增加发送速率来探测网络状态

6、处理网络中的丢包

• 超时重传：发送方设定超时时间，如果在规定时间内没有收到ACK，会重传数据
• 快速重传：
  • 当接收方收到乱序数据时，会重复发送ACK
  • 如果发送方收到三个相同的ACK（代表有数据丢失），立即重传丢失的数据包

7、拥塞控制

• 慢启动：初始发送速率低，逐步增加直到达到网络拥塞阈值
• 拥塞避免：超过阈值后，发送速率逐渐增加，而不是成倍增长
• 快速重传：接收到三个重复ACK时，立即重传丢失数据
• 快速恢复：在丢包后，发送速率从一个较高值重新开始，而不是从慢启动的初始值

8、粘包 现象如何处理

• 粘包现象：TCP是流式协议，数据没有明显的边界，多个数据包可能被合并到一起接收，造成接收方难以区分
• 处理方式：常见的处理方式包括：
  • 固定长度包协议：规定每个包的固定长度
  • 分隔符协议：在每个数据包之间加特定分隔符，如换行符
  • 长度前缀协议：在数据包的头部加上长度信息，接收方根据长度解析