一、特點：

（一）面向連接

在進行數據傳輸之前，TCP 需要在發送方和接收方之間建立一條邏輯連接。這一過程類似于打電話，雙方在通話前需要先撥號建立連接。建立連接的過程通過三次握手來完成，確保通信雙方都做好了數據傳輸的準備。連接建立后，數據按照順序有序傳輸，直到通信結束，通過四次揮手關閉連接。

（二）可靠性

1. 校驗和：TCP 在發送數據時，會對數據部分計算校驗和，并將校驗和放入 TCP 首部。接收方在接收到數據后，會重新計算校驗和并與接收到的校驗和進行對比。如果兩者不一致，說明數據在傳輸過程中出現了錯誤，接收方會要求發送方重新發送數據。
2. 確認機制：接收方收到數據后，會向發送方發送確認（ACK）消息，告知發送方數據已成功接收。發送方在發送數據后，會啟動一個定時器，如果在定時器超時之前沒有收到 ACK，就會認為數據傳輸失敗，并重發數據。
3. 重傳機制：除了超時重傳，TCP 還采用了快速重傳機制。當接收方連續收到三個相同的 ACK 時，就會認為中間的數據段丟失，發送方會立即重傳丟失的數據段，而不需要等待定時器超時，大大提高了數據傳輸的效率。
4. 排序與重復數據處理：TCP 會對接收的數據按照序號進行排序，確保數據按順序交付給應用層。同時，對于重復接收的數據，TCP 會進行丟棄處理，保證應用層不會接收到重復的數據。

（三）字節流服務

TCP 將數據視為無結構的字節流進行傳輸，應用層可以按照任意大小的數據塊進行讀寫，而不必擔心數據的邊界問題。TCP 會在發送方將數據分割成合適大小的段進行傳輸，并在接收方將這些段重新組裝成完整的字節流交付給應用層。

二、連接管理機制

（一）連接建立（三次握手）

1. 第一次握手：客戶端向服務器發送一個帶有 SYN（同步序列號）標志位的 TCP 報文段，該報文段中包含客戶端隨機生成的初始序列號（Sequence Number，簡稱 SEQ），假設為 x。此時客戶端進入 SYN_SENT 狀態，等待服務器的響應。
2. 第二次握手：服務器接收到客戶端的 SYN 報文段后，向客戶端發送一個 SYN + ACK 報文段。該報文段中的 SYN 標志位表示服務器同意建立連接，ACK 標志位用于確認收到客戶端的 SYN。服務器也會生成一個自己的初始序列號，假設為 y，并將客戶端的序列號 x 加 1 作為確認號（Acknowledgment Number，簡稱 ACK），即 ACK = x + 1。此時服務器進入 SYN_RCVD 狀態。
3. 第三次握手：客戶端接收到服務器的 SYN + ACK 報文段后，向服務器發送一個 ACK 報文段。該報文段的 ACK 標志位有效，確認號為服務器的序列號 y 加 1，即 ACK = y + 1，序列號為客戶端在第一次握手中發送的序列號 x 加 1，即 SEQ = x + 1。此時客戶端和服務器都進入 ESTABLISHED 狀態，連接建立成功。

（二）數據傳輸

連接建立后，客戶端和服務器就可以進行數據傳輸了。發送方將應用層的數據分割成 TCP 段，每個 TCP 段包含 TCP 首部和數據部分。TCP 首部中包含源端口、目的端口、序列號、確認號、標志位等信息。發送方按照序列號順序發送數據段，接收方接收數據段后，根據序列號進行排序，并向發送方發送 ACK 確認。如果發送方在規定時間內沒有收到 ACK，就會重發數據段。

（三）連接關閉（四次揮手）

1. 第一次揮手：客戶端向服務器發送一個 FIN（結束標志位）標志位有效的 TCP 報文段，表示客戶端不再發送數據，但仍可以接收數據。此時客戶端進入 FIN_WAIT_1 狀態。
2. 第二次揮手：服務器接收到客戶端的 FIN 報文段后，向客戶端發送一個 ACK 報文段，確認收到客戶端的 FIN，此時服務器進入 CLOSE_WAIT 狀態。客戶端收到 ACK 后，進入 FIN_WAIT_2 狀態。
3. 第三次揮手：服務器在處理完剩余的數據后，向客戶端發送一個 FIN 標志位有效的 TCP 報文段，表示服務器也不再發送數據。此時服務器進入 LAST_ACK 狀態。
4. 第四次揮手：客戶端接收到服務器的 FIN 報文段后，向服務器發送一個 ACK 報文段，確認收到服務器的 FIN。此時客戶端進入 TIME_WAIT 狀態，經過一段時間（通常為 2 倍的最大段生存期，即 2MSL）后，客戶端進入 CLOSED 狀態，徹底關閉連接。服務器在收到客戶端的 ACK 后，立即進入 CLOSED 狀態。

看到這，有的讀友可能會想到，建立連接時為什么需要3次握手？請求+響應兩次握手不行嗎？接下來就一同看看兩次握手會出現什么問題。

如上圖左邊場景，客戶端選擇一個初始序列號x，發送連接請求報文 req_conn(x)給服務器，服務器接收到連接請求后，發送確認連接報文acc_conn(x),并且進入已連接狀態。而在客戶端超時定時器到時的時候，客戶端沒有接收到服務器的確認報文。此時，客戶端重發連接請求req_conn(x) ,一會兒，第一次的acc_conn到達客戶端處，連接建立，進行數據通信，然后通信結束。結束后，重發的req_conn(x)到達了服務器，服務器端會認為又建立了一個新連接（因為它不記得之前已經處理過 ），又會發送acc_conn(x),而客戶端會忽略這個確認（因為已經建立連接 ）。這就導致服務器端維護了多余的、不完整的連接（半連接 ）。服務器端資源被無效占用，連接管理也出現混亂。

由此可看出，2次握手導致半連接問題

再看右側場景，建立連接過程中，由于某種原因，服務器端ack遲遲不到，致使客戶端超時重發req_conn(x),此后，延遲的ack到達客戶端，連接建立。客戶端向服務器發送數據，而又由于某種原因，data的ack遲遲不到，客戶端超時重發數據data.重發后延遲的ack到達客戶端，通信結束，連接關閉。此后，重發的req_conn及data到達服務器，使得老的數據被當作新的數據接收。這將導致數據錯亂，業務邏輯錯誤

綜上，二次握手存在的問題如下：

問題類型	根本原因	后果	三次握手解決方案
半連接	缺乏客戶端最終確認	服務器資源浪費，通信中斷	通過第三次ACK驗證連接有效性
舊數據誤認	無法區分歷史連接與新連接	數據錯亂，業務邏輯錯誤	動態ISN + 序列號嚴格同步
雙向能力未驗證	僅驗證單向可達性	單向通信風險（如服務器→客戶端不可達）	三次交互確認雙向鏈路

因此，必須采用三次握手。

三、可靠數據傳輸

1. 確認應答（ACK）機制

• 序列號與確認號：每個數據包攜帶32位序列號（SEQ）標識字節流起始位置，接收方通過確認號（ACK=SEQ+數據長度）反饋已接收的數據范圍。例如，發送方發送SEQ=1000、長度500的數據，接收方返回ACK=1500
• ACK標志位：TCP頭部中ACK標志位為1時，表示該報文為確認報文，此時確認號字段生效。普通數據報文ACK標志位為0 。
• 累積確認：接收方僅需確認連續接收的最高序列號，簡化ACK處理。例如，若接收方已收到SEQ=1000-2000的數據，即使中間有亂序包（如SEQ=2500），仍返回ACK=2001，觸發發送方選擇性重傳 。

2. 超時重傳與動態RTO

• 重傳觸發條件：發送方在動態計算的重傳超時時間（RTO）內未收到ACK，觸發數據包重傳。RTO基于往返時間（RTT）自適應調整，計算公式為：

SRTT = (1-α) * SRTT + α * RTT_sample  
DevRTT = (1-β) * DevRTT + β * |RTT_sample - SRTT|  
RTO = SRTT + 4 * DevRTT

其中，α=0.125，β=0.25（經驗值）。

• 超時加倍策略：首次超時后，RTO逐次加倍，避免網絡擁塞惡化 。
• 接收緩沖區去重：接收方通過緩沖區存儲已接收數據并按序重組，丟棄重復數據包（如因重傳導致的冗余包） 。

3. 滑動窗口與高效傳輸

• 窗口動態調整：發送窗口大小（SWND）取接收窗口（RWND）與擁塞窗口（CWND）的最小值，確保發送速率匹配接收方處理能力和網絡狀態。
• 批量發送與累積ACK：發送方可在窗口內連續發送多個數據包，接收方通過累積ACK減少確認次數。例如，發送窗口為4時，發送SEQ=1-4的數據包，接收方返回ACK=5確認全部接收。
• 選擇性確認（SACK）：通過TCP選項字段標記非連續接收的數據塊范圍，發送方僅重傳丟失的包（如接收方反饋SACK=3000-3500，發送方重傳缺失的2500-3000） 。
• D-SACK：接收方通過SACK反饋重復接收的數據塊，幫助發送方區分ACK丟失或網絡延遲，優化重傳策略 。

4. 擁塞控制

1. 慢開始（Slow Start）：在連接建立初期，發送方將擁塞窗口（Congestion Window，簡稱 cwnd）初始化為一個最大段大小（MSS），然后每收到一個 ACK，就將擁塞窗口增加一個 MSS。這樣，擁塞窗口呈指數增長，快速探測網絡的承載能力。

2. 擁塞避免（Congestion Avoidance）：當擁塞窗口增長到慢開始門限（ssthresh）時，進入擁塞避免階段。在這個階段，發送方每收到一個 ACK，就將擁塞窗口增加 1/cwnd 個 MSS，使擁塞窗口線性增長，避免網絡擁塞。

3. 快重傳（Fast Retransmit）：當接收方連續收到三個相同的 ACK 時，發送方會立即重傳丟失的數據段，而不需要等待定時器超時。這可以快速恢復丟失的數據，減少數據傳輸的延遲。

4. 快恢復（Fast Recovery）：在快重傳之后，發送方將慢開始門限設置為當前擁塞窗口的一半，然后將擁塞窗口設置為慢開始門限加上三個重復 ACK 所確認的數據量，接著進入擁塞避免階段，而不是重新進入慢開始階段。這樣可以更快地恢復數據傳輸，提高網絡的利用率。

四、流量控制

1. 滑動窗口工作機制

• 接收窗口（RWND）：接收方通過ACK報文中的窗口字段告知剩余緩沖區大小。例如，RWND=8000表示當前可接收8000字節數據 27。
• 零窗口探測：若接收方緩沖區滿（RWND=0），發送方啟動持續計時器，定期發送1字節探測包，檢測窗口恢復狀態 27。
• 窗口縮放選項：通過TCP選項擴展窗口字段位數（從16位至30位），支持高帶寬網絡的大窗口傳輸。

2. 流量控制的關鍵問題與解決

• 糊涂窗口綜合征（SWS）

• • 發送端SWS：Nagle算法解決小數據包問題，規則如下：

if 有新數據待發送:  if 窗口大小 ≥ MSS 且 數據量 ≥ MSS:  立即發送  elif 有未確認數據:  緩存數據等待ACK  else:  立即發送

此算法在高延遲場景可能導致小數據等待，可通過TCP_NODELAY選項 禁用

• • 接收端SWS：接收方在緩沖區不足時直接通告RWND=0，強制發送方暫停，待緩沖區清空后通過探測包恢復 。

3. 擁塞控制與流量控制的協同

• 擁塞窗口（CWND）：根據網絡擁塞狀態動態調整，通過慢啟動（指數增長）和擁塞避免（線性增長）平衡帶寬利用率 。
• 全局平衡：最終發送速率受SWND = min(RWND, CWND)限制，同時避免接收方溢出和網絡擁塞。

五、TCP報文格式

頭部結構（20~60字節）

字段	長度	說明
源端口/目的端口	16位	標識應用程序（如HTTP=80）
序列號（SEQ）	32位	數據包首字節的全局位置
確認號（ACK）	32位	期望接收的下一個字節序號（僅當ACK=1時有效）
數據偏移	4位	首部長度（以4字節為單位，最大60字節）
控制標志	9位	SYN（連接請求）、ACK（確認）、FIN（終止）、RST（重置）、PSH（急迫推送）
窗口大小	16位	接收方可用緩沖區大小（流量控制關鍵參數）
校驗和	16位	驗證數據完整性
緊急指針	16位	標識緊急數據位置（僅當URG=1時有效） 。