TCP/IP协议 结构图说明

TCP 协议详解与原理图解

一、TCP 报文结构详解

TCP 是面向连接、可靠传输的传输层协议。其报文结构定义如下：

  0                   1                   2                   3  
  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 +---------------------------------------------------------------+
 |        Source Port          |     Destination Port            |
 +---------------------------------------------------------------+
 |                      Sequence Number                          |
 +---------------------------------------------------------------+
 |                  Acknowledgment Number                        |
 +---------------------------------------------------------------+
 | Data |       |U|A|P|R|S|F|                                     |
 |Offset| Rsrvd |R|C|S|S|Y|I|           Window Size              |
 +---------------------------------------------------------------+
 |          Checksum            |       Urgent Pointer           |
 +---------------------------------------------------------------+
 |                  (Optional TCP Options)                       |
 +---------------------------------------------------------------+

字段说明：

字段名	含义
Source Port / Destination Port	源/目标端口号，用于标识通信的进程
Sequence Number	序列号，表示当前报文段的第一个字节的序号
Acknowledgment Number	确认号，期望收到对方下一个字节的编号
Data Offset	数据偏移，指出 TCP 头部长度（单位为 32 位字）
Flags（6 个控制位）	URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，用于控制连接状态
Window Size	窗口大小，接收方通告的剩余缓冲区容量
Checksum	校验和，包含头部和数据的完整性验证
Urgent Pointer	紧急指针，与 URG 控制位配合使用
Options	可选字段，如窗口缩放、时间戳等，支持性能优化

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二、TCP 三次握手详解（连接建立）

客户端                                           服务器
  |                                                |
  | ----------- SYN seq=X -----------------------> |   第一次握手：请求连接
  |                                                |
  | <-------- SYN+ACK seq=Y ack=X+1 ------------- |   第二次握手：响应请求
  |                                                |
  | ----------- ACK ack=Y+1 ---------------------> |   第三次握手：确认连接
  |                                                |

握手过程说明：

1. SYN：客户端向服务器发送连接请求，并初始化序列号（seq=X）。
2. SYN+ACK：服务器响应请求，同步自身的序列号（seq=Y），并确认客户端序列号（ack=X+1）。
3. ACK：客户端再次确认服务器的响应（ack=Y+1），至此双方建立连接。

⚠️ 三次握手的目的是可靠确认双向通信能力和初始序列号同步，防止失效连接混入。

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三、TCP 四次挥手详解（连接释放）

客户端                                           服务器
  |                                                |
  | ----------- FIN seq=U -----------------------> |   第一次挥手：主动关闭
  |                                                |
  | <----------- ACK ack=U+1 --------------------- |   第二次挥手：被动确认
  |                                                |
  | <----------- FIN seq=V ---------------------- |   第三次挥手：被动关闭
  |                                                |
  | ----------- ACK ack=V+1 ---------------------> |   第四次挥手：确认关闭
  |                                                |

挥手过程说明：

1. 客户端发送 FIN：表示没有数据可发，但仍可接收。
2. 服务器发送 ACK：确认接收到关闭请求。
3. 服务器完成剩余数据发送后，发送 FIN：准备关闭。
4. 客户端发送 ACK：完成连接关闭。

🔁 四次挥手保证了双向关闭的可靠性，服务端关闭操作可能延迟，以确保数据完整传输。

---

四、TCP 状态迁移图解析

TCP 的连接建立与断开并不是简单的三次握手或四次挥手，其内部状态迁移涉及多个状态节点。

                     +---------+  
                     | CLOSED  |  
                     +----+----+  
                          |  
              Active OPEN | Passive OPEN
                          V  
                     +---------+     +---------+
                     | SYN_SENT | <--| LISTEN  |
                     +----+----+     +----+----+
                          |               |
                          |               |
                          V               V
                     +---------+     +---------+
                     |SYN_RCVD | --> |ESTABLISHED|
                     +----+----+     +----+----+
                          |               |
                          V               V
                     +---------+     +----------+
                     |FIN_WAIT_1| <--| CLOSE_WAIT|
                     +----+----+     +----+-----+
                          |               |
                          V               V
                     +----------+     +----------+
                     | FIN_WAIT_2|     | LAST_ACK |
                     +-----------     +----------+
                          |
                          V
                    +-----------+
                    | TIME_WAIT |
                    +-----------+
                          |
                          V
                     +---------+
                     | CLOSED  |
                     +---------+

🧠 状态说明：

• SYN_SENT/SYN_RCVD：连接建立中
• ESTABLISHED：连接建立成功
• FIN_WAIT_1/2：主动关闭方等待对方关闭
• CLOSE_WAIT/LAST_ACK：被动关闭方等待确认
• TIME_WAIT：连接已关闭，等待 2MSL 确保对方收到 ACK
• CLOSED：连接完全关闭

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五、TCP 拥塞控制机制

TCP 设计了一套复杂的拥塞控制机制，以保证网络传输的效率与稳定性。主要包括以下四个阶段：

拥塞控制四阶段

窗口大小
  |
  |       /~~~~~ 拥塞避免阶段（线性增长）
  |     /
  |   /
  | /    <--- 慢开始阶段（指数增长）
  |/
  +---------------------------> 时间
        阈值        丢包

各阶段说明：

阶段	特点
慢开始	初始窗口值小，每收到 ACK 指数增加
拥塞避免	超过阈值后，每 RTT 窗口线性增长
快速重传	连续收到 3 个重复 ACK，立即重传
快速恢复	重传后进入拥塞避免，避免窗口归零

📌 拥塞窗口（cwnd）和接收窗口（rwnd）共同决定 TCP 的实际发送速率。

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总结

TCP 协议作为互联网的核心协议之一，凭借其可靠的连接机制与完善的拥塞控制，成为高质量网络传输的基础。掌握 TCP 的握手/挥手流程、报文结构、状态迁移及拥塞控制，对于理解操作系统、网络编程、安全通信等领域均具有极大意义。