一、TCP 是什么

TCP：Transmission Control Protocol ( 传输控制协议 )

TCP 协议和 UDP 协议一样，位于传输层。

我们都知道协议通俗来说，就是对于传输一种约定，将发送方和接收方在某些方面达成共识，才能够正确传输。

二、TCP 特性

特点：
有连接
可靠传输
面向字节流
全双工

TCP 的核心特性在于可靠传输，此外， TCP 也能够做到提升效率，而可靠性和高效率本身就是一个矛盾，因为可靠性一般就要消耗资源或时间来实现，而高效率又更注重速度。所以本篇博客基于 TCP 的机制来探讨可靠性和效率的这两个特性。

三、TCP协议段格式

四、TCP 的十个机制

1. 确认应答机制

TCP 的核心特性在于可靠传输，而可靠传输的核心在于确认应答机制，但这个机制在面试中考的却不多。

确认应答机制：发送方发送数据给接收方后，接收方收到数据就回应一个应答报文，我们称这个应答报文为 ACK. 如果发送方收到了 ACK，那么认为是对方已经收到了。

(1) 理解发送方和接收方之间的交互

情况一：正常情况

A 给 B 连续发了两条信息，第一条：今天晚饭吃的好吗？第二条：明天一起吃饭吗？

然后 B 给 A 连续回了两条信息，第一条：不好。第二条：好。

那么从情况一的结果来看，B 答应了 A 明天要一起吃饭。

情况二：后发先至

A 给 B 连续发了两条信息，第一条：今天晚饭吃的好吗？第二条：明天一起吃饭吗？

从 B 的角度看：B 给 A 连续回了两条信息，第一条：不好。第二条：好。

但由于网络通信未保证实时性，可能会造成后发先至的情况。

即最终以 A 的角度看：B 给 A 连续回了两条信息，第一条：好。第二条：不好。

对于情况二这就出错了，B 答应了 A 明天一起吃饭，而实际上 A 以为 B 拒绝了明天的饭局。

情况三：对数据进行编号

对数据进行编号，一定需要占用内存，那么实际上 TCP 的报头中，【 32 位确认序号】就表示这些编号。通过编号的这一机制，我们最起码就不会因为受网络波动的影响，从而使传输方和接收方关联的信息不匹配。以此就能来确认应答了。

前面说到，确认应答机制是实现 TCP 可靠性传输的核心。试想：就像我们举的例子，如果没有对应编号，在日常人们使用网络通信的生活中，很可能就会造成发送方和接收方之间的误会。那么确认应答机制的设计还是十分有意义的。

(2) 确认应答机制是如何实现的

我们都知道，TCP 传输数据的时候是面向字节流的，此外，我刚刚提到，TCP 这样的编号实际上是在 TCP 的报头中存放着，因为它也需要占用空间。所以，我们就必须确定：TCP 的序号和确认序号也是以字节为单位进行编号的。详情如下：

发送方在给接收方发送数据的时候，需要加上编号，接着，接收方在接收一串完整数据后，也要进行确认，这就是应答机制的思想，以此来确认数据接收到。这就和别人喊你名字一样，【Hi~ 小明】你也应该礼貌地答应。

而像这样的确认应答实际上是 ACK 数据，也就是说，每一个 ACK 所表示的就是确认应答的意思。它存在的意义就是方便接收方告诉发送方，刚刚收到的数据，接收方准确无误地收到了，以此来让发送方确认传输无误，准备下一条指令。

在下图中，若发送的数据编号为 1 - 1000，那么确认序号为 1001；若发送的数据编号为 1001 - 2000，那么确认序号为 2001.

当确认应答 1001，并返回 ACK 后，主机A 就知道了 1 - 1000 的数据在传输过程中，没有问题了，于是就立即发送 1001 - 2000 的这组数据，之后，接收方再通过确认序号 2001 继续确认…

2. 超时重传机制

由于网络环境是比较复杂的，因此可能会有丢包的情况出现，虽然出现丢包的概率并不大，但在传输过程中出现丢包就会影响我们日常的网络通信，所以必须解决这一问题。

( 在网络通信中，丢包是指一个或多个数据包的数据无法透过网上到达目的地。比方说：你玩 MOBA 类游戏，当你在团战中放大招之后，你当前电脑显示放了，但之后，因为网络丢包，对面并没有因为你的大招掉伤害，你就会发现刚刚的大招实际并没有放出来，由于网络突然卡了或其他原因，你发现你放的大招并没有将数据从网络传输过去。 )

一旦数据发生丢包，就要进入超时重传的机制中。对于刚刚的打 MOBA 类游戏的例子来说，这就会造成延迟。

(1) 两种丢包的场景

(2) 超时重传机制是如何实现的

① 按照编号来重传数据以防数据重复

站在刚刚发送方 A 的角度看待数据传输的问题，对于上面的两种情况，发送方都是一脸懵逼的，他其实是无法确定到底数据在传过去的时候出现了问题，还是数据在传回来的时候出现了问题。

所以重传机制就明确：发送方需要间隔一段时间再次重传，而站在接收方的角度也是一样的。当站在接收方的角度返回数据，那么接收方就变成了发送方。此外，发送方和接收方都按照编号逻辑进行判断是否需要重传数据，这样就可以避免重传数据发生重复的现象。

在下图的两种情况中

情况一：左边的例子，主机A 在给主机B 传输数据的时候，发生丢包，此时，重传数据是没有问题的。因为这并不会造成结果有误，之后会消耗一定的时间而已。
情况二：右边的例子，主机A 在给主机B 传输数据的时候，一切正常；但主机B 在返回 ack 的时候，应答报文出现丢包情况。此时，主机B 已经接收到了 1 - 1000 数据，如果再重传就会发生数据重叠的情况。所以说，给数据编号，有效地解决了这一问题。当 1 - 1000 的数据被编好号了，那么主机B 就接收到了，它就需要应答 1001，这时候，主机B 只需要重传应答的 ack 即可。

② 明确超时重传的时间

不同的操作系统对于超时重传的时间实现的方式不同。

Linux中（BSD Unix 和 Windows也是如此），超时以 500ms 为一个单位进行控制，每次判定

超时重发的超时时间都是 500ms 的整数倍。

如果重发一次之后，仍然得不到应答，等待 2*500ms 后再进行重传。

如果仍然得不到应答，等待 4 * 500ms 进行重传。以此类推，以指数形式递增。

我们都知道 500ms 即 0.5s，那么 0.5s，作为用户的主观感受，可能是一个比较短的时间，但相对于计算机的网络通信，0.5s 却是一个很长的时间。玩 MOBA 类游戏的小伙伴可以试想，一波团战从开始到结束，可能 10s 不到，那么在这 10s 内，你想要主动开团，可能摁个大招就行，1s 都不要。但如果因为数据丢包，那么这波团战损失就很大了，因为多个 0.5s 就让你错失了很多开团、输出、切后排等等的机会！

如果 2 -3 次超时重传之后，却发现存在连续丢包的情况，很可能就是因为接收方的网络出现物理层面等故障，此时发送方和接收方就会关闭当前网络连接，尝试重新连接。

这很好理解，就和我们打 MOBA 类游戏一样，你摁大招摁不出来，摁闪现也摁不出来，发信息沟通也发不出来，那指定是断网了…最终我们只能检查网络，然后把当前游戏进程退了，重新进入游戏…

3. 连接管理机制 (面试最常考)

在之前提到 TCP 的特性时，我们知道 TCP 是有连接的，也就是说：等两边连接好了，客户端与服务器再进行通信，那么连接是怎么进行的呢？

连接管理机制就是：建立连接需要三次握手，断开连接需要四次挥手。而这就是网络部分的最高频问题，没有之一。

(1) 三次握手

想象一个场景：

A(客户端)              B(服务器)
明天一起吃饭吗？    
                  好的，时间地点告诉我
明天晚上，南门烧烤店不见不散

syn 表示请求连接
正常情况下 syn = 0，在尝试建立连接的请求中，syn = 1
ack 表示确认连接
正常情况下 ack = 0，在确认请求的连接时，ack = 1

① 以打电话的形式来详解三次握手过程

打电话的情况完全符合三次握手的逻辑，读者可以自身体会日常的通信过程。

② 两个状态

LISTEN：听。
顾名思义，它表示服务器的待连接状态，在 Java 中，当我们创建好 ServerSocket 实例的时候，就进入了此状态。例如：在 A 给 B 打电话的过程中，A 拨号成功，听筒出现了【嘟嘟嘟…】的声音，即 A 尝试与 B 对话的状态，并没有接通，即此状态。
ESTABLISHED：已确立的。

顾名思义，它表示客户端或服务器已建立连接的状态，在 Java 中，当我们代码中使用 accept 返回一个 Socket 对象的时候，就进入了此状态。例如：在 A 给 B 打电话的时候，A 与 B 已经开始愉快地沟通起来了，即做到了真正意义上的通话，即此状态。

③ 关于三次握手的一些问题

问题一：三次握手的功能与意义？

答：三次握手就是建立连接与确立连接的过程，相当于投石问路，通过三次握手的过程，来确认 A和 B 之间的网络传输是否是通畅的，尤其是要确认，A 和 B 各自的发送能力和接收能力是否正常，这在上面的打电话例子中已经形象地体现出来了。

问题二：整个连接的过程可以进行四次握手吗？

答：在 B 给 A 传送的【ack + syn】中，将这两步拆解开来再看，其实就是四次握手了。所以说，四次握手本质上可以达到建立连接、确认连接的目的，但三次握手更加高效！在网络传输中，将过程拆解，那么就涉及到了封装与分用，以此带来的结果就是：传输的开销更大。

问题三：整个连接的过程可以只进行两次握手吗？

答：答案是否定的！因为在打电话的例子中，无论你缺了哪一步，都无法让双方都确认彼此的发送与接收状态是否完好。所以说，三次握手是至少的，也是连接的必须步骤。

(2) 四次挥手

顾名思义，三次握手表明尝试建立连接的过程，那么四次挥手就表明尝试断开连接的过程。但我们必须明确：三次握手，必须是客户端先发起请求，而四次挥手，客户端或服务器都能够发起请求，这就是客户端与服务器的特性。

可以看到，此处的 ACK 和 FIN 是分开的，在这一点上，它与三次挥手不同，而这是因为，对于服务器 B 来说，ACK 和 FIN 的触发时机是不一样的。

① 当 B 收到 A 发出的 FIN 后，才回应 ACK，这个回应的步骤实际上是在系统的内核中完成的。

② 当 B 回应 ACK 之后，才发送 FIN，而发送 FIN 这个步骤实际上是通过用户代码控制的，在使用类似于 socket.close() 这样的代码时，即发送 FIN。

① 注意

我们必须明确一件事情，FIN 的触发，虽然是通过 socket.close() 这个代码来实现的，但这个代码实际上又与内核中释放了对应的进程 PCB 的文件描述符相关联。

我们试想一种情况：在 Java 中，代码没有调用 close，但是 socket 对象被垃圾回收机制回收了，这也是会关闭并释放对应的文件描述符的，当然，这种情况相比于使用 close 方法要来得慢。

我们再试想另一种情况：代码没有调用 close，但进程通过其他方式结束了。而当前进程结束，其在内核中对应的 PCB 就要被销毁，那么，PCB 中的文件描述符表就要被销毁，所以文件描述符也就被销毁了，最终同样也会触发 FIN 。

所以说，传统意义上的四次挥手是一个 TCP 较为正常的流程，但实际上，上面所说的情况，就证明了：有时候，TCP 连接也会异常断开。这很好理解：正如我们通过网络使用微信通话一样，建立连接，必须要满足，【双方网络通畅、两边的人同时能够听、能够说… 】，而断开连接，【可能有一个人断网了，也可能两个人同时挂断电话，结束通话】…

所以说， TCP 建立连接的过程需要满足很多要求，而断开连接的过程中除了正常流程外，也还有异常、未知的情况。

② 说明两个状态

CLOSE_WAIT：服务器 B 收到客户端 A 发来的 FIN 之后，进入的状态。

此状态正在等待用户代码调用 close，以此来发送 FIN，顾名思义，它是在等待被关闭。

TIME_WAIT：表示客户端 A 收到了服务器 B 发来的 FIN 之后进入的状态。

此状态存在的意义主要是为了处理最后一个 ACK 丢包问题。

说明：即使进程已经退出了，TIME_WAIT 状态仍然会存在，即客户端与服务器之间的 TCP 连接不会立即销毁。TIME_WAIT 的存在会等待一定的时间，如果一定时间之内也没有重传的 FIN 过来，才会真正销毁。这个机制用来防止最后一步的丢包问题。

等待时间一般为：2 * MSL，而在 Linux 中这个 MSL 默认是1min，当然，这个 MSL 可以根据程序员自己配置。

所以说，如果服务器上出现大量的 CLOSE_WAIT，这是什么情况呢？这其实是代码出现了问题，close 没有及时被调用到，所以服务器一直在等待被关闭。

③ 拓展

使用 TCP 的时候，我们都是先关闭客户端，再关闭服务器，这是为什么？

我们必须明确：客户端和服务器谁先关闭，谁就进入 TIME_ WAIT 状态。

如果我们先关闭服务器，那么服务器就会进入到 TIME_ WAIT 状态，而原来的连接占据着端口，接下来如果服务器重新启动，新的进程又会尝试重新绑定当前被占据的端口。而我们都知道，端口号就好像一个人的电话号码，是唯一的。因此，如果我们先关闭服务器，再去关闭客户端，可能就会存在端口绑定失败的情况。

4. 滑动窗口

前三个机制的设定是为了保证 TCP 传输的可靠性，而滑动窗口机制的设定是为了在可靠性的基础上，提升通信效率。

在确认应答策略中，客户端每发送一个数据段给服务器的时候，服务器都要给一个 ACK 确认应答。当客户端收到 ACK 应答后，它就知道了服务器已经收到了刚刚的数据段，于是客户端才能再次发送下一个数据段。应答机制这样设定当然没问题，但这样做有一个缺点，就是性能较差，效率较低。尤其是数据往返时间较长的时候，客户端可能需要等很长时间才能进行下一次发送。因为客户端发一次，就要等待服务器回应一次，这就限制了同一时间段的数据传输。

下图为我们展示了这一情况：

我们将 " 一发一收 " 的策略改成 " 多发多收 " 的策略，即一次多发几条数据段，收到也是同样的情况。那为什么不把数据 1 - 4000 合成在一起一次发送呢？这是因为将数据拆分开来，既能够方便将数据编号，又能为确认应答提供了便捷。下图为我们展现了这一情况。

发送方在发送前四个段的时候，不需要一个一个等待 ACK，直接打包一起发送。

(1) 注意几个点

① 窗口大小指的是，发送方无需等待接收方的确认应答，而可以继续发送数据的最大值，可以理解为发送方将一组一组的数据打包成一个窗口。 ( 数据按编号顺序不变 ) 上图的窗口大小就是 4000 个字节（四个数据段）。此外，窗口越大，则网络的吞吐率就越高。

② 操作系统内核为了维护这个滑动窗口，需要开辟缓冲区来记录当前还有哪些数据没有应答，只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉。

③ 发送方在收到第一个 ACK 后，窗口往后滑动，继续发送第五个段的数据，依次类推…( 这样做是为了提高效率，不需要等前四个段全部接收对应的 ACK 后，再执行下一组的发送 ) 所以这也是滑动窗口机制的名字由来，实际上这是一种形象比喻。

在下图中，滑动窗口的模型为我们体现出来了多条传输与多条应答。

理解上图的滑动窗口机制：

情况一：

主机B 将 2001 这个 ACK 传回了主机A ，那么主机A 就知道了，1001 - 2000 这个数据已经被主机 B 收到了，此时主机A 也就不用继续等这个数据了，接下来就立即再发一个 5001 - 6000；此时主机 A 仍然保证窗口大小是四个段，仍然保证当前同时等待四个段的 ACK.

情况二：那么如果是后发先至的情况呢？

假设主机B 先返回了 2001 的 ACK，再返回了 3001 的 ACK. 但主机 A 先收到了 3001 的 ACK，再收到了 2001 的 ACK. 这其实不影响 1 - 2000 数据，也不会造成让主机A 重传数据的情况。我们必须明确确认序号的含义，当主机 A 收到了 3001 的 ACK，这就表示 3001 之前的数据已被主机 B 接收，显然，1 - 2000 的数据没有什么传输差错。因为后发先至，我们是站在主机B 的角度来看 " 发 "，主机A 的角度来看 " 至 "。

(2) 丢包情况

情况一：接收方返回 ACK 的过程中出现丢包情况

在下图中，我们可以看到主机A 在传输数据的时候没问题，但主机B 在返回 1001 ，3001，4001 这些 ACK 的时候，出现了丢包问题。这就导致了主机A 在某一数据段传输之后，并不知道主机B 有没有收到刚刚的数据段。而实际上，当最终的 6001 的 ACK 在返回的过程中没有出现问题，这也就证明了 1 - 6000 的传输没有问题。这也是确认序号设计的一个巧妙之处，不管中间过程如何应答 ACK，只要最终发送方收到应答，说明传输就没有问题。

而实际上，TCP 协议为了提高效率，主机B 在接收一条数据段后，并不会返回当前的确认 ACK，它很可能隔几条数据才会确认一下，所以这也是一种高效率的体现。

情况二：发送方在传输数据的过程中出现丢包情况

在下图中，主机A 在传输 1001 - 2000 的数据时，发生了丢包，所以在主机B 一直在尝试确认 1001 这个应答，因为站在主机B 的角度看，它并没有接收到 1001 - 2000 的这些数据。然而，站在主机A 的角度看，我需要一直发送数据，直到主机A 收到主机B 三次重复的应答请求后，它就会采取重传机制，重新发送了 1001 - 2000 的数据。接着，当主机B 真正收到 1001 - 2000 的数据之后，它就准备返回 7001 的 ACK，这就说明了，1 - 7000 的数据已经正确传输，准备告诉主机A，之前的传输都已无误。那么，在刚刚的过程中，2001 - 7000 的这些数据实际上被放在了缓冲区，只有等待主机B 确认了 7001 的应答后，才会将缓冲区的数据删除掉。在上述过程之后，也是正常 " 多发多收 "。

所以说，为了防止传输数据的出错，TCP 这些机制的混用还是较为复杂的，机制之间环环相扣。但正是这些机制，保证了 TCP 传输数据的可靠、高效的特点。

5. 拥塞机制

虽然 TCP 有了滑动窗口这个强大的传输机制，能够高效可靠地发送大量的数据。但是如果在刚开始阶段就发送大量的数据，仍然可能引发问题。因为网络上有很多的计算机正在处于交互状态，某一时刻的网络状态可能就已经比较拥堵。在不清楚当前的网络状态下，贸然发送大量的数据，会使传输数据变得更糟。于是就有了拥塞机制，即 TCP 先引入慢启动机制，先发少量的数据，探探路，摸清当前的网络拥堵状态，再决定按照多大的速度传输数据。

此处引入一个概念：拥塞窗口，发送开始的时候，定义拥塞窗口大小为 1；每次收到一个ACK 应答，拥塞窗口加1；每次发送数据包的时候，将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较，取较小的值作为实际发送的窗口。下图为窗口的增长：

上图拥塞窗口的增长速度，是指数级别的。" 慢启动 " 只是指初使时慢，但是增长速度非常快。为了不增长的那么快，因此不能使拥塞窗口单纯的加倍。此处引入一个叫做慢启动的阈值

当拥塞窗口超过这个阈值的时候，不再按照指数方式增长，而是按照线性方式增长。如下图所示：

当 TCP 开始启动的时候，慢启动阈值等于窗口最大值。

在每次超时重发的时候，慢启动阈值会变成原来的一半，同时拥塞窗口置回1.

举个不恰当的例子：在上图的线图中，我们可以将窗口的增长速度想象成情侣谈恋爱的状态，当情侣刚认识，在一起的时候，他们处于热恋期，即短期时间内，感情升温很快；而在中期，可能感情趋于平淡，但也还好；而有时候，也会闹矛盾吵架，这就是将感情降为冰点；等和好的时候，感情又升温了。

理解拥塞机制

少量的丢包，我们仅仅是触发超时重传；大量的丢包，我们就认为网络拥塞；
当 TCP 通信开始后，网络吞吐量会逐渐上升；随着网络发生拥堵，吞吐量会立刻下降；
拥塞控制，归根结底是 TCP 协议想尽可能快地把数据传输给对方，但是又要避免给网络造成太大压力的折中方案。

详解 TCP 协议（上）