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【USTC 计算机网络】第三章：传输层 - 面向连接的传输：TCP

news 来源：原创 2025/8/23 1:43:40

本文介绍了面向连接的传输协议：TCP，首先介绍 TCP 报文段的结构以及如何设置超时定时器，接着介绍 TCP 如何实现可靠数据传输以及流量控制，最后介绍 TCP 中最重要的三次握手与四次挥手的连接建立与关闭过程。

1. TCP 概述与段结构

TCP（传输控制协议）是一种面向连接、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，广泛应用于互联网中，支持诸如网页浏览、文件传输、电子邮件和远程登录等需要数据可靠性保证的应用程序。其基本特性如下：

面向连接：TCP 在数据传输前必须先建立连接，通常采用三次握手（three-way handshake）来完成。建立连接后，通信双方进入全双工状态，即双方可以同时发送和接收数据。
可靠传输：TCP 通过为数据字节分配序列号、使用确认应答（ACK）、重传丢失的数据、以及校验和等机制来确保数据正确、有序地传输。即使 IP 层只提供不可靠的包交换，TCP 也能保证端到端的可靠性。
面向字节流：TCP 将应用层传来的数据视为一连串的无结构字节流，数据在发送端可能被拆分成多个报文段传输，接收端需要根据序号将这些字节重新组装成完整的数据流。
流量控制与拥塞控制：为防止发送方过快的数据流淹没接收方，TCP 采用滑动窗口机制进行流量控制。另一方面，为了防止网络过载，TCP 还引入了拥塞控制算法（如慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复），动态调整数据发送速率。

1.1 TCP 报文段结构

在这里插入图片描述

TCP 报文段由首部和数据两部分构成，其中首部至少 20 字节，常见字段包括：

源端口号和目的端口号：各占 16 位，用于标识通信双方的应用程序端口。
序列号（Sequence Number）：用于标记发送的数据字节（不是报文段）在整个数据流中的位置（偏移量）。连接建立时选取一个随机初始序号（ISN），后续每发送一个字节序号递增。
确认号（Acknowledgment Number）：表示期望接收的下一个字节的序号，确保数据的有序确认，例如接收方发送 ACK = 555 时说明已经收到了 554 及之前的字节。
数据偏移（Data Offset）：指明 TCP 首部的长度，以 4 字节为单位，使得选项字段长度可变。
控制标志位：包括 URG（紧急指针有效）、ACK（确认号有效）、PSH（推送数据）、RST（复位连接）、SYN（同步序列号，用于建立连接）和 FIN（终止连接）。
窗口大小（Window Size）：表示接收方当前能接收的数据量，用于流量控制。
校验和（Checksum）：对 TCP 首部和数据进行错误检测，确保传输过程中数据未被损坏。
紧急指针（Urgent Pointer）：仅当 URG 标志为 1 时有效，指示紧急数据的末尾。
选项（Options）：如最大报文段长度（MSS）、窗口缩放、时间戳、SACK 等，用于扩展 TCP 功能和优化传输性能。

1.2 TCP 往返延时和超时

往返延时（Round-Trip Time，RTT）是指数据包从发送端发出，到接收端收到该包后返回确认（ACK）所经历的总时间。RTT 反映了数据在网络中传输的实际延时情况，是 TCP 计算重传定时器的重要依据。

当发送方发出一个数据包时，会记录当前的时间戳；当收到对应 ACK 时，计算出 RTT = 当前时间 - 发送时刻。由于网络延时可能受到拥塞、路由变化等因素影响，每次测量的 RTT 可能会有较大波动。

TCP 在数据传输中需要不断监测网络的延时情况，以便合理设置超时定时器（RTO，Retransmission Timeout），从而及时重传丢失的数据。如果定时器设置的太长，可能会导致对报文段丢失的反应太慢；如果设置的太短，则可能又会产生很多不必要的重传。

TCP 为每个未确认的数据段设置一个定时器。如果在 RTO 时间内没有收到相应的 ACK，定时器触发后，TCP 将重传该数据段。

直接使用单次 RTT 样本容易受到瞬间波动的影响，因此 TCP 采用加权移动平均的方法来计算平滑往返时延（Smoothed RTT，SRTT）。常用公式为：

SRTT = (1 - α) * SRTT + α * RTT_sample

其中 $\alpha$ 通常取值为 0.125。

为了反映 RTT 样本与 SRTT 之间的波动程度，引入 RTT 偏差 RTTVAR，其计算公式为：

RTTVAR = (1 - β) * RTTVAR + β * |RTT_sample - SRTT|

其中 $\beta$ 通常取值为 0.25。

根据 SRTT 和 RTTVAR，TCP 设置重传定时器的公式为：

RTO = SRTT + max(G, 4 * RTTVAR)

其中，G 为系统时钟粒度。这个公式确保 RTO 既考虑了平滑的延时估计，又对 RTT 的波动性进行了补偿，从而减少不必要的重传。

2. 可靠数据传输

TCP 将应用层数据视为一个连续的字节流，在发送时将数据划分成若干个报文段，每个报文段数据部分的第一个字节都被赋予一个序列号。接收方利用这个序列号对收到的报文段进行排序，并检测是否存在缺失或重复的部分。

接收方不会为每个报文段单独发送确认，而是发送累积确认（Cumulative ACK）：例如，当接收方按序正确收到从序列号 0 到 999 的数据，它会发送 ACK 1000，表示它已成功接收了前 1000 个字节，并期望收到序号为 1000 的下一个字节。这种机制与 Go-Back-N 中的累积确认较为相似。

如果某个报文段丢失，但后续数据到达，接收方会重复发送相同的 ACK（通常重复 3 次以上），触发发送方的快速重传机制，立即重传认为丢失的那个报文段，从而避免等待超时。

现代 TCP 实现可选地支持 SACK（Selective Acknowledgment），这让接收方可以反馈非连续的、已经成功接收的数据块信息，使发送方仅重传丢失的数据，类似于 SR 的策略。这提高了性能，尤其在高带宽延时积（BDP）环境下能显著减少不必要的重传。在没有使用 SACK 选项时，TCP 的累积确认机制与 GBN 类似，即接收方只确认按序到达的最后一个字节，丢失一个报文段会导致发送方在超时后重传窗口内从该报文段开始的所有数据。

因此实际上 TCP 并非严格遵循 GBN 或 SR 的单一模型，而是一种混合方案：

基础机制（累积确认、单一定时器）类似于 GBN；
可选的 SACK 机制则使其具有 SR 的特性，可以进行更精细的重传。

TCP 重传流程如下图所示：

在这里插入图片描述

快速重传（Fast Retransmit）是 TCP 为了快速恢复因单个数据包丢失而引起的传输中断而设计的一项机制。在正常数据传输过程中，接收方采用累计确认的方式，只确认按序收到的最后一个字节。当某个数据包丢失时，后续数据包虽然到达了接收方，但接收方依然只能确认缺失数据前的那个序号，从而产生重复的 ACK（Duplicate ACK）。例如，假设发送的数据包序号依次为 40、50、60、70、80，当序号为 50 的数据包丢失时，接收方会连续收到序号 60、70、80 的数据包，但始终返回 ACK 50，提示它仍在等待序号 50 的数据。

在这里插入图片描述

当发送方连续收到三个（或更多）重复 ACK 后，就会认为数据包 50 已丢失，并立即重传数据包 50，而不必等待超时定时器到期。这种机制可以显著减少因单个数据包丢失而引起的延迟，提高网络吞吐量。发送方的快速重传算法用伪代码表示如下：

event: ACK received, with ACK field value of yif (y > SendBase) {SendBase = yif (there are currently not-yet-acknowledged segments)start timer} else {  // 重复确认increment count of dup ACKs received for yif (count of dup ACKs received for y == 3) {resend segment with sequence number y  // 快速重传}}

3. 流量控制

TCP 的流量控制主要是为了防止发送方发送数据的速率超过接收方的处理能力，避免接收方的缓冲区溢出，从而保证数据能够被正确接收和及时处理。流量控制是端到端的，它只涉及通信双方，而不考虑中间网络的拥塞情况（拥塞控制则专注于网络整体资源的保护）。

TCP 流量控制最核心的实现机制是滑动窗口。这一机制主要体现在 TCP 报文段头部的窗口大小（Window Size）字段中。具体包括以下几个方面：

接收窗口的通告：当接收方接收到数据后，会检查自身接收缓冲区的剩余空间，并在发送 ACK 报文时，通过窗口大小字段告知发送方当前还能接收的数据量（以字节为单位）。例如，如果接收缓冲区还有 4000 字节未被占用，则接收到的 ACK 报文中的窗口字段就会设置为 4000。随着接收方应用程序不断读取缓冲区中的数据，缓冲区中的可用空间会增加；接收方在后续的 ACK 中会更新窗口大小，从而允许发送方发送更多数据。
发送窗口的调整：发送方在发送数据时，不能发送超过“最小值”的数据量，其中这个最小值是接收窗口 rwnd 和拥塞窗口 cwnd 的较小值。流量控制主要保证 rwnd 部分，即接收方的处理能力不被超过，发送方会限制未确认的字节数小于等于 rwnd 值。
零窗口和窗口探测：当接收方由于处理速度过慢或其他原因暂时无法接收更多数据时，会在 ACK 报文中将窗口大小通告为 0。这表示发送方必须停止发送数据，以避免进一步数据的丢失。当发送方收到零窗口通告后，会启动“保持定时器”（persist timer）。如果在该定时器到期后仍未收到非零窗口更新，发送方会发送零窗口探测（Zero Window Probe）报文，询问接收方是否有新的可用缓冲区。这有助于避免由于窗口信息丢失而导致发送方长时间停滞。

在这里插入图片描述

4. 连接管理

4.1 三次握手

TCP 的连接管理涵盖了建立、维护和终止连接的全过程，其中最为关键的部分是连接建立阶段的三次握手过程。

首先来看看如果只有两次握手会怎样？首先是连接的报文也可能会有延时，如果服务器同意建立连接的确认报文由于网络延迟等原因延迟到达，客户端超时又重发了一次连接建立请求，在通信终止后这个连接请求被服务器接收到，服务器可能错误地认为这是一个新的连接请求，于是最后只有自己建立了连接（半连接），进而占用系统资源，最终导致拒绝服务或连接资源浪费。

此外，如果只进行两次握手，旧连接的残留报文可能被误认为是新连接的数据。例如不仅建立连接的确认报文延迟了，客户端发送数据的确认报文也延迟了或者丢失了，那么客户端不仅重发了连接建立请求也重发了数据，在连接终止后服务器才收到连接建立请求和数据，此时服务器会错误地认为这是新连接和新数据。

在这里插入图片描述

TCP 的三次握手过程如下：

第一次握手（SYN）
- 动作：客户端向服务器发送一个 SYN 报文段。
- 内容：该报文段包含客户端选择的一个初始序列号（ISN）。
- 目的：通知服务器客户端希望建立连接，并将自己的初始序列号告知服务器。
第二次握手（SYN + ACK）
- 动作：服务器收到客户端的 SYN 后，回复一个 SYN + ACK 报文段。
- 内容：
  - SYN：服务器为建立连接也选择一个初始序列号（ISN）。
  - ACK：服务器将客户端的 ISN 加 1 作为确认号，表示已经收到客户端的 SYN。
- 目的：服务器确认客户端请求，并通知客户端自己也准备建立连接，同时双方初始序列号同步。
第三次握手（ACK）
- 动作：客户端收到服务器的 SYN + ACK 报文段后，向服务器发送 ACK 报文段。
- 内容：ACK 报文中确认号为服务器的 ISN 加 1，表示客户端已经收到服务器的 SYN。
- 目的：完成双方的同步，双方都进入 ESTABLISHED（已建立）状态，连接正式建立。

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现在来看看三次握手如何解决半连接和接收老数据的问题。

在三次握手过程中，只有在客户端发送最终 ACK 后，服务器才认为连接完全建立。这样，即使有旧的、延迟到达的 SYN 报文或重复的 SYN + ACK 报文，服务器也只会接受第一次有效完成握手的连接，其它不匹配的握手会被丢弃或忽略。例如下图左侧服务器在接收延迟的建立请求后向客户端发送回应，但是客户端没有再次发送确认报文，因此服务器就不会建立起这个连接。

对于接收老数据的问题，三次握手中客户端和服务器各自选取随机的初始序列号，这样，新连接使用的序列号与旧连接极不可能重叠。由于新连接的序列号是全新的，如果老数据以旧的序列号到达，接收方会根据当前期望的序列号（即新连接的起始序号）将其丢弃，不会交付给应用层。

在这里插入图片描述

4.2 四次挥手

TCP 连接关闭采用的是四次挥手机制，以确保双方都能正确、完整地终止各自的数据传输通道，同时防止旧数据或延迟报文干扰新连接。

由于 TCP 是全双工通信协议，双方都可以独立地发送和接收数据。因此，连接的关闭必须分别关闭发送和接收两个方向。例如，一方可能先不再发送数据（关闭发送通道），但仍继续接收；这种状态称为半关闭（half-closed）。

四次挥手过程如下：

主动关闭方发送 FIN
- 动作：当一端（如客户端）完成数据发送后，调用 close()，发送一个带有 FIN 标志的报文段。
- 目的：通知对方“我这边的数据已经发送完毕，不再发送新数据”，但仍可以接收对方的数据。
- 状态变化：主动关闭方进入 FIN_WAIT_1 状态。
对方确认 FIN
- 动作：服务器收到客户端的 FIN 后，立即发送一个 ACK 报文段，确认号为收到的 FIN 的序号加 1。
- 目的：告诉客户端“我已经知道你不再发送数据了，我接收到你的关闭请求”。
- 状态变化：
  - 服务器进入 CLOSE_WAIT 状态（表示它已收到关闭请求，但还可能有数据要发送）。
  - 客户端在收到 ACK 后进入 FIN_WAIT_2 状态，等待服务器关闭发送通道。
对方发送 FIN 关闭发送通道
- 动作：服务器在完成自己的数据发送后，也调用 close()，发送一个带 FIN 标志的报文段给客户端。
- 目的：通知客户端“我这边的数据也发送完毕，现在我要关闭连接了”。
- 状态变化：服务器进入 LAST_ACK 状态，等待客户端对这个 FIN 进行确认。
主动关闭方确认 FIN 并进入 TIME_WAIT
- 动作：客户端收到服务器的 FIN 后，发送一个 ACK 报文段作为确认，确认号为服务器 FIN 的序号加 1。
- 目的：完成对服务器关闭请求的确认，确保对方知道其 FIN 已被接收。
- 状态变化：
  - 客户端进入 TIME_WAIT 状态，等待 2 × MSL（最大报文段寿命）时间后，才彻底关闭连接。
  - 服务器在收到这个 ACK 后，进入 CLOSED 状态，释放资源。

【USTC 计算机网络】第三章：传输层 - 面向连接的传输：TCP

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