【網絡】TCP常考知識點詳解

TCP報文結構

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TCP報文由**首部（Header）和數據（Data）**兩部分組成。首部包括固定部分（20字節）和可選選項（最多40字節），總長度最大為60字節。

1. 首部固定部分

源端口（16位）和目的端口（16位）
- 標識發送和接收的應用程序（如HTTP默認端口80）。
序列號（32位）
- 表示當前報文段數據部分的第一個字節的序號，確保數據按序傳輸。
確認號（32位）
- 期望收到的下一個字節的序號，表示接收方已正確接收之前的所有數據。
數據偏移（4位）
- 指示首部長度（以4字節為單位）。例如，值為5表示首部長度20字節。
保留字段（6位）
- 未使用，必須置0。
控制位（6位）
- URG：緊急指針有效，優先處理緊急數據。
- ACK：確認號有效（連接建立后通常為1）。
- PSH：接收方應立即將數據推送給應用層。
- RST：強制重置異常連接。
- SYN：建立連接時同步序列號。
- FIN：正常關閉連接。
窗口大小（16位）
- 接收方的可用緩沖區大小，用于流量控制（滑動窗口機制）。
校驗和（16位）
- 計算包括偽首部（源/目的IP、協議類型、TCP長度）、TCP首部和數據，確保數據完整性。
緊急指針（16位）
- 當URG=1時有效，指向緊急數據的結束位置。

2. 選項部分（可變長度，最多40字節）

MSS（最大報文段長度）：在三次握手時協商，避免IP分片。
窗口擴大因子：擴展窗口大小（原16位窗口最大為65535）。
時間戳：計算往返時間（RTT）和防止序列號回繞（PAWS機制）。
SACK（選擇性確認）：允許接收方報告非連續接收的數據塊，提升重傳效率。

3. 填充字段

確保首部長度是4字節的倍數。

4. 數據部分

上層協議（如HTTP、FTP）傳遞的數據，長度由MSS和窗口大小共同決定。

TCP的特點

面向連接：TCP發送數據前需要通過三次握手建立全雙工通信，結束數據發送后通過四次揮手關閉連接
可靠性：TCP通過確認和重傳、快速重傳、擁塞控制、流量控制、有序性、超時重傳等機制確保數據可靠傳輸
1. 確認和重傳：接收方收到數據后會發送確認ACK給發送方，若發送方經過超時時間未收到ACK,則會重傳
2. 流量控制：接收方會通過滑動窗口（循環數組，用三個指針給他分區）的機制告訴發送方可接收數據的大小，避免發送方發送大量數據擁塞在接收方的緩沖區
3. 擁塞控制：發送方根據網絡的擁塞情況動態調整發送速率，避免造成網絡擁塞
4. 有序性：接收方根據TCP頭部的序列號重新對數據進行排序
頭部開銷大：TCP報文頭部（源/目的端口+**序列號/確認號**+首部長度+**標志位(SYN/ACK/FIN/RST)**+**窗口大小(RWND)**+校驗和），增加傳輸開銷
- 源/目的端口標識了應用進程；序列號和確認號可以進行確認和重傳，同時保證數據有序；
- 標志位(指示TCP會話期間的特定狀態)：**SYN-同步，ACK-確認數據包接收，FIN-結束**，RST-重置TCP連接，URG-緊急數據，PSH-立即推送數據，
全雙工通信：TCP協議允許通信雙方同時進行數據的發送和接收

TCP超時重傳

RTT（Round-Trip Time）往返時延：數據包在網絡中的往返時延（網絡波動造成RTT**動態變化**）
?RTO（Retransmission Timeout）超時重傳時間：RTO應略大于RTT。太大會降低網絡的傳輸效率；小于RTT則會造成不必要的超時重傳，增大網絡負荷
發送方在RTO內未收到ACK，說明網絡嚴重擁塞，發送方重置CWND（擁塞窗口）進行**慢啟動**，逐步增加發送量，降低網絡過載風險
擁塞窗口CWND :發送方維護的變量，初始值默認為1 MSS（1460 Byte）
慢啟動閾值_ssthresh:窗口增長模式的切換點；初始值較高（如接收方通告窗口大小）發生擁塞時動態調整
慢啟動算法流程：
1. 初始化階段：TCP連接建立后/超時重傳后，set CWND= 1 MSS，ssthresh初始為較大值
2. 指數增長階段：每收到一個和ack，cwnd增加1MSS（每個RTT內，CWND翻倍）：
  1. 假設RTT固定100ms，初始CWND= 1 MSS
  2. 第0ms，發送一個報文 cwnd =1
  3. 第100ms：收到ack，cwnd=2（第100-200ms 發送2個報文）
  4. 第200ms：收到2個ack，每個ack觸發cwnd+1, cwnd=4（第200-300ms 發送四個報文）
  5. 第300ms：收到4個ack，cwnd=8；
3. 切換至**擁塞避免**：<u>*cwnd >= ssthresh*</u> 時，結束慢啟動進入**線性增長**的擁塞避免階段（每RTT，CWND增長1 MSS）
4. 擁塞處理**：
  1. 超時丟包：嚴重擁塞，重置ssthresh=MAX（CWND/2，2 MSS），CWND = 1 MSS，重新***慢啟動***
  2. 快速重傳/恢復：（重復ACK觸發）調整ssthresh= CWND/2 ，CWND=ssthresh+3（3個重復的ACK）,直接進入***擁塞避免***

TCP快速重傳

????????發送方連續收到**三個重復ACK**（RFC經驗）時，說明網絡單包丟失，發送方CWND減半，進行快速重傳

TCP擁塞控制與流量控制

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