【网络】TCP常考知识点详解

TCP报文结构

TCP报文由**首部（Header）和数据（Data）**两部分组成。首部包括固定部分（20字节）和可选选项（最多40字节），总长度最大为60字节。

1. 首部固定部分

源端口（16位）和目的端口（16位）
- 标识发送和接收的应用程序（如HTTP默认端口80）。
序列号（32位）
- 表示当前报文段数据部分的第一个字节的序号，确保数据按序传输。
确认号（32位）
- 期望收到的下一个字节的序号，表示接收方已正确接收之前的所有数据。
数据偏移（4位）
- 指示首部长度（以4字节为单位）。例如，值为5表示首部长度20字节。
保留字段（6位）
- 未使用，必须置0。
控制位（6位）
- URG：紧急指针有效，优先处理紧急数据。
- ACK：确认号有效（连接建立后通常为1）。
- PSH：接收方应立即将数据推送给应用层。
- RST：强制重置异常连接。
- SYN：建立连接时同步序列号。
- FIN：正常关闭连接。
窗口大小（16位）
- 接收方的可用缓冲区大小，用于流量控制（滑动窗口机制）。
校验和（16位）
- 计算包括伪首部（源/目的IP、协议类型、TCP长度）、TCP首部和数据，确保数据完整性。
紧急指针（16位）
- 当URG=1时有效，指向紧急数据的结束位置。

2. 选项部分（可变长度，最多40字节）

MSS（最大报文段长度）：在三次握手时协商，避免IP分片。
窗口扩大因子：扩展窗口大小（原16位窗口最大为65535）。
时间戳：计算往返时间（RTT）和防止序列号回绕（PAWS机制）。
SACK（选择性确认）：允许接收方报告非连续接收的数据块，提升重传效率。

3. 填充字段

确保首部长度是4字节的倍数。

4. 数据部分

上层协议（如HTTP、FTP）传递的数据，长度由MSS和窗口大小共同决定。

TCP的特点

面向连接：TCP发送数据前需要通过三次握手建立全双工通信，结束数据发送后通过四次挥手关闭连接
可靠性：TCP通过确认和重传、快速重传、拥塞控制、流量控制、有序性、超时重传等机制确保数据可靠传输
1. 确认和重传：接收方收到数据后会发送确认ACK给发送方，若发送方经过超时时间未收到ACK,则会重传
2. 流量控制：接收方会通过滑动窗口（循环数组，用三个指针给他分区）的机制告诉发送方可接收数据的大小，避免发送方发送大量数据拥塞在接收方的缓冲区
3. 拥塞控制：发送方根据网络的拥塞情况动态调整发送速率，避免造成网络拥塞
4. 有序性：接收方根据TCP头部的序列号重新对数据进行排序
头部开销大：TCP报文头部（源/目的端口+**序列号/确认号**+首部长度+**标志位(SYN/ACK/FIN/RST)**+**窗口大小(RWND)**+校验和），增加传输开销
- 源/目的端口标识了应用进程；序列号和确认号可以进行确认和重传，同时保证数据有序；
- 标志位(指示TCP会话期间的特定状态)：**SYN-同步，ACK-确认数据包接收，FIN-结束**，RST-重置TCP连接，URG-紧急数据，PSH-立即推送数据，
全双工通信：TCP协议允许通信双方同时进行数据的发送和接收

TCP超时重传

RTT（Round-Trip Time）往返时延：数据包在网络中的往返时延（网络波动造成RTT**动态变化**）
RTO（Retransmission Timeout）超时重传时间：RTO应略大于RTT。太大会降低网络的传输效率；小于RTT则会造成不必要的超时重传，增大网络负荷
发送方在RTO内未收到ACK，说明网络严重拥塞，发送方重置CWND（拥塞窗口）进行**慢启动**，逐步增加发送量，降低网络过载风险
拥塞窗口CWND :发送方维护的变量，初始值默认为1 MSS（1460 Byte）
慢启动阈值_ssthresh:窗口增长模式的切换点；初始值较高（如接收方通告窗口大小）发生拥塞时动态调整
慢启动算法流程：
1. 初始化阶段：TCP连接建立后/超时重传后，set CWND= 1 MSS，ssthresh初始为较大值
2. 指数增长阶段：每收到一个和ack，cwnd增加1MSS（每个RTT内，CWND翻倍）：
  1. 假设RTT固定100ms，初始CWND= 1 MSS
  2. 第0ms，发送一个报文 cwnd =1
  3. 第100ms：收到ack，cwnd=2（第100-200ms 发送2个报文）
  4. 第200ms：收到2个ack，每个ack触发cwnd+1, cwnd=4（第200-300ms 发送四个报文）
  5. 第300ms：收到4个ack，cwnd=8；
3. 切换至**拥塞避免**：<u>*cwnd >= ssthresh*</u> 时，结束慢启动进入**线性增长**的拥塞避免阶段（每RTT，CWND增长1 MSS）
4. 拥塞处理**：
  1. 超时丢包：严重拥塞，重置ssthresh=MAX（CWND/2，2 MSS），CWND = 1 MSS，重新***慢启动***
  2. 快速重传/恢复：（重复ACK触发）调整ssthresh= CWND/2 ，CWND=ssthresh+3（3个重复的ACK）,直接进入***拥塞避免***