TCP协议扩展笔记整理

TCP协议扩展笔记整理

一、面向连接

1. 核心特性：TCP传输数据前需先建立点到点的逻辑连接，而非物理链路连接。
2. 点到点定义：通讯中仅存在双方，无第三方参与。

二、TCP报文结构

1. 关键字段（含位数）：
   • 源端口号（16位）、目标端口号（16位）：标识通讯双方的应用进程。
   • 序列号（32位）：标记发送数据段的顺序。
   • 确认应答号（32位）：期望接收的下一字节序号，用于确认已接收数据。
   • 标志位：含SYN（建立连接）、ACK（确认）、RST（重置连接）、PSH（推送数据）、FIN（终止连接）等，控制连接状态。
   • 首部长度（4位）：指示TCP首部大小。
   • 窗口大小（16位）：接收方告知发送方可发送的数据量（用于流控）。
   • 校验和（16位）：检测数据传输中的错误，确保完整性。
   • 紧急指针（16位）：标记紧急数据位置。
   • 选项（长度可变）：补充功能，如最大报文段长度（MSS）协商。
2. TCP连接标识：通过“四元组”（源IP地址、源端口、目标IP地址、目标端口）唯一标识一条TCP连接。

三、TCP异常连接

• 终止方式：当发送数据到无效TCP连接时，目标主机发送RST标记位置1的TCP报文段，中断连接。

四、TCP可靠传输机制

1. 连接确认机制

• 发送方需确保数据被接收方收到，接收方通过回复ACK标记位置1的确认报文段响应，同时携带确认序列号（指示期望接收的下一字节）。

2. 重传机制

（1）超时重传

• RTT（往返时间）：数据发出到收到确认的时间，是衡量超时重传的基础参数。
• RTO（超时重传时间）：动态调整的超时阈值，需略大于RTT，避免不必要的重传。
• 超时间隔加倍：网络拥塞时，重传间隔逐次加倍（如RTO→2RTO→4RTO…），缓解拥塞。

（2）快速重传

• 触发场景：接收方收到失序报文（序列号大于期望序号）时，连续发送3个相同的确认序列号（冗余ACK），告知发送方丢失报文。
• 优势：无需等待超时，提前感知丢包并重传，减少时延。

3. 流控机制（防止接收方缓冲区溢出）

（1）滑动窗口

• 接收方通过TCP报文中的“窗口大小”字段，告知发送方可连续发送的数据量（以报文段为单位）。
• 累计确认：若中间ACK丢失，后续ACK可覆盖已接收数据的确认（如ACK=300可确认Seq=100-300的数据），无需重传丢失的ACK。

（2）小窗口处理

• 零窗口：接收方缓冲区满时，窗口大小设为0，发送方暂停发送，直至接收方更新窗口。
• 窗口通告规则：接收方通告窗口最小值为MSS（最大报文段长度）和1/2缓存空间中的较小值，小于该值时通告为0。
• 发送方策略：数据发送需满足以下任一条件：①窗口大小≥MSS且数据大小≥MSS；②收到之前发送数据的ACK。

4. 校验和

• 用于检测数据在传输过程中的损坏或篡改，确保接收数据与发送数据一致。

五、TCP拥塞控制（缓解网络拥堵）

1. 拥塞判断

• 以“丢包”为拥塞标志，包括两种形式：①数据包确认超时；②收到3个冗余ACK。

2. 核心参数

• 拥塞窗口（cwnd）：发送方维护的动态窗口，控制网络拥塞时的发送速率（大小为1~几百个MSS）。
• 发送窗口：取拥塞窗口与接收窗口的最小值，是实际发送数据的上限。

3. 控制过程

（1）初始化阶段：慢开始

• 初始值：cwnd=1个MSS。
• 增长规则：每收到一个ACK，cwnd呈指数增长（如1→2→4→8…）。
• 慢启动门限（ssthresh）：限制cwnd增长的阈值。当cwnd < ssthresh时，使用慢开始；cwnd > ssthresh时，切换为拥塞避免。

（2）增长阶段：拥塞避免

• 触发条件：cwnd达到ssthresh后进入。
• 增长规则：每收到一个ACK，cwnd呈线性增长（如每次+1个MSS），缓慢增加发送量。

（3）拥塞发生后：快重传与快恢复

• 快重传：收到3个冗余ACK时，立即重传丢失报文，无需等待超时。
• 快恢复：重传后，ssthresh更新为当前cwnd的1/2，cwnd设为新ssthresh，随后按线性增长恢复发送（避免重新从1开始，减少恢复时间）。

总结

TCP通过面向连接的特性、结构化的报文设计、可靠传输机制（确认、重传、流控）及拥塞控制策略，实现了数据的高效、可靠传输，平衡了传输效率与网络稳定性。