计算机网络中的TCP连接与协议全面介绍-深入理解TCP/IP协议栈基础

TCP连接与协议全面解析

一、TCP协议基础

TCP（Transmission Control Protocol）是计算机网络中面向连接的、可靠的传输层协议，与UDP（用户数据报协议）形成对比。其核心特点包括：
- 面向连接：通信前需建立连接（三次握手），结束后释放连接（四次挥手）。
- 可靠传输：通过确认机制、重传机制、序号与校验和保证数据完整性。
- 流量控制：基于滑动窗口协议动态调整发送速率。
- 拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免、快速重传等算法避免网络拥塞。

二、TCP连接建立与释放

1. 三次握手（建立连接）
| 步骤 | 客户端操作 | 服务器操作 | 状态变化 |
|------|------------|------------|----------|
| 1 | 发送SYN包 | 接收SYN | 客户端：SYNSENT → ESTABLISHED
服务器：LISTEN → SYNRECEIVED |
| 2 | 接收SYN+ACK| 发送SYN+ACK| 客户端：等待ACK
服务器：SYN_RECEIVED → ESTABLISHED |
| 3 | 发送ACK | 接收ACK | 双方均进入ESTABLISHED状态 |

示例：客户端向服务器请求网页时，三次握手确保双方同步初始序号（ISN），防止旧连接数据干扰。

2. 四次挥手（释放连接）
| 步骤 | 客户端操作 | 服务器操作 | 状态变化 |
|------|------------|------------|----------|
| 1 | 发送FIN包 | 接收FIN | 客户端：ESTABLISHED → FINWAIT1
服务器：ESTABLISHED → CLOSEWAIT |
| 2 | 接收ACK | 发送ACK | 客户端：FINWAIT1 → FINWAIT2
服务器：CLOSEWAIT → LASTACK |
| 3 | 等待 | 处理数据并发送FIN | 客户端：FINWAIT2 → TIMEWAIT
服务器：LASTACK |
| 4 | 接收FIN+ACK| 发送ACK | 客户端：TIMEWAIT → CLOSED
服务器：LAST_ACK → CLOSED |

关键点：TIME_WAIT状态持续2MSL（报文段生存时间），确保对方收到ACK并处理残留数据。

三、TCP可靠传输机制

1. 确认与重传
- 累计确认：接收方确认已正确接收的最后一个字节序号。
- 超时重传：发送方未收到ACK时重传数据。
- 快速重传：接收方收到乱序报文时立即发送重复ACK，触发发送方重传。

2. 序号与校验和
- 序号：每个字节编号，确保数据按序重组。
- 校验和：验证数据完整性（伪首部+TCP段+数据）。

3. 流量控制
- 滑动窗口：接收方通过rwnd（接收窗口）告知发送方可发送的数据量。
- 窗口更新：接收方处理数据后动态调整窗口大小。

4. 拥塞控制
- 慢启动：初始窗口指数增长（cwnd = min(cwnd*2, ssthresh)）。
- 拥塞避免：窗口线性增长（cwnd += 1）。
- 快速重传/恢复：检测到丢包时快速重传并调整窗口。

四、TCP报文格式

| 字段 | 长度（字节） | 作用 |
|---------------|--------------|--------------------------|
| 源端口/目的端口 | 2 | 标识发送/接收应用进程 |
| 序号 | 4 | 数据段首字节序号 |
| 确认号 | 4 | 期望接收的下一个字节序号 |
| 数据偏移 | 0.5（4位） | TCP头部长度（32位字） |
| 标志位 | 1（6位） | 控制连接状态（SYN/ACK/FIN等） |
| 窗口大小 | 2 | 流量控制窗口 |
| 校验和 | 2 | 数据完整性验证 |
| 紧急指针 | 2 | 紧急数据偏移 |

五、TCP与UDP对比

| 特性 | TCP | UDP |
|--------------|----------------------|----------------------|
| 连接方式 | 面向连接 | 无连接 |
| 可靠性 | 可靠 | 不可靠 |
| 传输方式 | 字节流 | 数据报 |
| 头部开销 | 20字节（最小） | 8字节 |
| 适用场景 | 文件传输、HTTP | 视频流、DNS查询 |