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TCP 协议深度解析

Transmission Control Protocol — 互联网基石协议

三次握手可靠传输流量控制拥塞控制

TCP 头部结构

TCP Header Format — 协议的控制信息载体

TCP 报文头部格式

TCP 头部固定 20 字节（不含选项），最多 60 字节

0

8

16

24

31

16源端口号

16目的端口号

32序列号 (Sequence Number)

32确认号 (Acknowledgment Number)

4数据偏移

6保留

6标志位

16窗口大小

16校验和

16紧急指针

关键标志位
SYN 建立连接 | ACK 确认应答 | FIN 终止连接 | RST 重置连接 | PSH 推送数据 | URG 紧急数据

02

三次握手 & 四次挥手

Connection Lifecycle — 连接的建立与终止

三次握手 (Three-Way Handshake)

确保双方都能正常收发数据，同步序列号

💻

客户端

🖥️

服务器

SYNseq=x

SYN+ACKseq=y, ack=x+1

ACKack=y+1

第一次握手

客户端发送 SYN=1, seq=x，进入 SYN_SENT 状态

第二次握手

服务器回复 SYN+ACK, seq=y, ack=x+1，进入 SYN_RCVD

第三次握手

客户端发送 ACK, ack=y+1，双方进入 ESTABLISHED

四次挥手 (Four-Way Handshake)

双方独立关闭连接，确保数据完整传输

第一次挥手

主动方发送 FIN=1, seq=u，进入 FIN_WAIT_1 状态，表示"我没有数据要发了"
第二次挥手

被动方回复 ACK, ack=u+1，进入 CLOSE_WAIT；主动方进入 FIN_WAIT_2
第三次挥手

被动方发送 FIN=1, seq=w，进入 LAST_ACK 状态，表示"我也准备关闭了"
第四次挥手

主动方回复 ACK, ack=w+1，等待 2MSL 后关闭；被动方收到后立即关闭

为什么需要四次？
TCP 支持半关闭（half-close），每一方可以独立关闭自己的数据发送通道，因此 FIN 需要分别发送。

03

可靠传输机制

Reliable Delivery — 确保数据完整有序到达

序列号与确认应答

TCP 为每字节数据编号，通过确认应答保证可靠性

序列号 (Sequence Number)

表示本报文段发送数据的第一个字节的编号。初始序列号 (ISN) 基于时钟随机生成，防止旧报文干扰。

确认号 (ACK Number)

期望收到对方下一个报文段的第一个字节编号。若 ACK=N，则 N-1 为止的数据已正确接收。

数据传输过程示意

💻 ──seq=1,len=100──▶ 🖥️

💻 ◀──ack=101,win=1000── 🖥️

💻 ──seq=101,len=100──▶ 🖥️

累计确认机制
TCP 使用累计确认：ACK=N 表示 N-1 之前的所有数据已收到，无需逐段确认。

重传机制

当数据丢失或 ACK 丢失时，TCP 如何恢复

超时重传 (RTO)

发送数据后启动重传计时器。若超时未收到 ACK，则重传数据。RTO 基于 RTT 动态计算：

RTO = RTTs + 4 × RTTd

快速重传 (Fast Retransmit)

收到 3 个重复 ACK 后立即重传丢失报文，无需等待超时。大幅降低重传延迟。

RTT 与 RTO 关系

Jacobson/Karels 算法
通过测量 RTT 的均值和偏差，动态调整 RTO，适应网络变化。

滑动窗口 (Sliding Window)

实现流水线传输，提高信道利用率

窗口滑动过程

← 已确认在途数据可发送 →不可发送 →

已确认在途(已发送未确认) 可发送窗口外

发送窗口

min(rwnd, cwnd) — 取接收方窗口和拥塞窗口的最小值

窗口滑动

收到新的确认后，窗口向前滑动，允许发送新数据

04

流量控制与拥塞控制

Flow & Congestion Control — 网络资源的智能调度

流量控制 (Flow Control)

基于滑动窗口，防止发送方淹没接收方

接收窗口 (rwnd)

接收方在 ACK 报文中通告自己的接收缓冲区大小，发送方据此调整发送窗口。

零窗口问题

当接收方缓冲区满时通告窗口为 0，发送方暂停发送。接收方处理完后发送窗口更新报文恢复传输。

持续计时器

发送方收到零窗口通告后启动持续计时器，定期发送窗口探测报文，避免窗口更新报文丢失导致死锁。

流量控制示意

关键公式
发送窗口上限 = min(rwnd, cwnd)
rwnd 由接收方决定，cwnd 由网络状况决定

拥塞控制 (Congestion Control)

基于拥塞窗口 (cwnd)，防止过多数据注入网络

拥塞窗口 cwnd 时间 →

慢启动拥塞避免超时快重传

慢启动

cwnd 从 1 MSS 开始，每 RTT 指数增长

拥塞避免

超过 ssthresh 后线性增长 (+1/RTT)

快重传

3 个重复 ACK 触发立即重传

快恢复

cwnd = ssthresh + 3，直接进入 CA

核心知识总结

TCP 协议四大核心机制一览

📋

TCP 头部

端口号、序列号、确认号、标志位、窗口

🤝

连接管理

三次握手建立、四次挥手终止

✅

可靠传输

序列号、ACK、超时重传、快重传

🚦

拥塞控制

慢启动、拥塞避免、快恢复

TCP 的设计哲学
TCP 通过连接管理建立可靠通道，通过序列号与确认保证数据有序，通过滑动窗口实现高效传输，通过拥塞控制维护网络稳定 — 这些机制共同构成了互联网数据传输的基石。

🎯

Thank You

TCP 协议深度解析 — Q&A

TCP Networking Protocol