49. TCP协议

TCP协议

        TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在TCP/IP协议族中，TCP层位于IP层之上，它提供了端到端的可靠数据传输服务。以下是TCP协议的一些关键特性和工作原理：

• 面向连接
  • TCP在传输数据之前必须先建立连接，数据传输结束后必须释放连接。这种连接是一对一的，因此TCP提供的是全双工通信。
• 可靠性
  • TCP通过确认应答、超时重传、流量控制、拥塞控制等机制实现数据的可靠传输。
  • 确认应答：当接收方收到数据后，会向发送方发送一个确认报文段，表示数据已成功接收。
  • 超时重传：如果发送方在一段时间内没有收到接收方的确认报文段，它会认为该数据已丢失或损坏，于是会重传该数据。
  • 流量控制：TCP使用滑动窗口机制来控制发送方的发送速率，防止发送方发送数据过快而导致接收方来不及处理。
  • 拥塞控制：当网络出现拥塞时，TCP会降低发送速率，以避免进一步加剧网络拥塞。
• 基于字节流
  • TCP把应用程序交下来的数据仅仅看成是一连串的无结构的字节流，它不负责为应用程序保持这些数据块的边界信息。
• 序列号与确认号
  • TCP为每一个字节赋予一个序列号，并在确认应答中告诉发送方下一个期待接收的字节的序列号。
• 三次握手（建立连接）
  • 第一次握手：建立连接时，客户端发送SYN包（SYN=1，seq=x）到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认。
  • 第二次握手：服务器收到SYN包，必须确认客户的SYN（ACK=1，ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（SYN=1，seq=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。
  • 第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包(ACK(y+1,ack=y+1,ack_seq=x+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。
• 四次挥手（释放连接）
  • 客户端发送一个FIN，用来关闭客户端到服务器的数据传送。
  • 服务器收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
  • 服务器关闭与客户端的连接，发送一个FIN给客户端。
  • 客户端发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

        TCP协议因其可靠性高、传输数据稳定等特点，被广泛应用于互联网中的各种服务中，如HTTP、FTP、SMTP等。

        然而，尽管TCP协议具有许多优点，但它也有其局限性。其中最大的一个挑战就是它的传输效率。由于TCP协议是面向连接的、可靠的传输协议，它必须处理许多额外的步骤和机制来确保数据的完整性和准确性。这些步骤和机制包括确认应答、超时重传、流量控制和拥塞控制等，它们都需要消耗一定的网络资源和时间。

        在某些场景下，比如实时通信或者流媒体传输，TCP协议的这种特性可能会成为其瓶颈。在这些场景下，我们更关注的是数据的实时性和流畅性，而不是数据的完整性和准确性。因此，对于这些场景，我们可能会选择使用UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）这样的无连接、不可靠的传输协议。

        UDP协议是一种轻量级的传输协议，它不提供像TCP那样的可靠性保证，但它具有更高的传输效率和更低的延迟。UDP协议在发送数据时，不需要建立连接，也不需要进行确认应答、超时重传等额外的步骤，因此它的传输速度更快，延迟更低。然而，由于UDP协议不提供可靠性保证，因此它更适合用于那些对数据丢失或错误不太敏感的应用场景。

        当然，UDP协议并不是TCP协议的替代品，它们各自有其适用的场景。在需要高可靠性和稳定传输的场景下，我们仍然会选择使用TCP协议；而在需要实时性和流畅性的场景下，我们可能会选择使用UDP协议。此外，还有一些协议，如QUIC（Quick UDP Internet Connections），它结合了TCP和UDP的优点，既具有TCP的可靠性，又具有UDP的低延迟和高效性，成为了近年来网络协议研究的一个热点。