计算机网络TCP协议图解：特点、三次握手、四次挥手、无差错传输等

1. TCP协议定义

Transmission Control Protocol，即 传输控制协议

属于 传输层通信协议

基于TCP的应用层协议有HTTP、SMTP、FTP、Telnet 和 POP3

2 TCP协议特点

• 面向连接、面向字节流、全双工通信、可靠
• 具体介绍如下：

3. TCP协议优缺点

• 优点：数据传输可靠
• 缺点：效率慢（因需建立连接、发送确认包等）

4. TCP协议应用场景（对应的应用层协议）

要求通信数据可靠时，即 数据要准确无误地传递给对方

如：传输文件：HTTP、HTTPS、FTP等协议；传输邮件：POP、SMTP等协议

• 万维网：HTTP协议
• 文件传输：FTP协议
• 电子邮件：SMTP协议
• 远程终端接入：TELNET协议

5. TCP协议报文段格式

• TCP虽面向字节流，但传送的数据单元 = 报文段
• 报文段 = 首部 + 数据 2部分
• TCP的全部功能体现在它首部中各字段的作用，故下面主要讲解TCP报文段的首部

首部前20个字符固定、后面有4n个字节是根据需而增加的选项

故 TCP首部最小长度 = 20字节

6. TCP协议建立连接过程

• TCP建立连接需 三次握手
• 具体介绍如下

成功进行TCP的三次握手后，就建立起一条TCP连接，即可传送应用层数据

注

因 TCP提供的是全双工通信，故通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据

三次握手期间，任何1次未收到对面的回复，则都会重发

特别说明：为什么TCP建立连接需三次握手？

• 结论 防止服务器端因接收了早已失效的连接请求报文，从而一直等待客户端请求，最终导致形成死锁、浪费资源
• 具体描述

SYN洪泛攻击：

• 从上可看出：服务端的TCP资源分配时刻 = 完成第二次握手时；而客户端的TCP资源分配时刻 = 完成第三次握手时
• 这就使得服务器易于受到SYN洪泛攻击，即同时多个客户端发起连接请求，从而需进行多个请求的TCP连接资源分配

7. TCP协议释放连接过程

• 在通信结束后，双方都可以释放连接，共需 四次挥手
• 具体如下

特别说明：为什么TCP释放连接需四次挥手？

• 结论 为了保证通信双方都能通知对方 需释放 & 断开连接

即释放连接后，都无法接收 / 发送消息给对方

• 具体描述

延伸疑问：为什么客户端关闭连接前要等待2MSL时间？

即 TIME - WAIT 状态的作用是什么；

MSL = 最长报文段寿命（Maximum Segment Lifetime）

• 原因1：为了保证客户端发送的最后1个连接释放确认报文 能到达服务器，从而使得服务器能正常释放连接

• 原因2：防止 上文提到的早已失效的连接请求报文 出现在本连接中 客户端发送了最后1个连接释放请求确认报文后，再经过2MSL时间，则可使本连接持续时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。

即 在下1个新的连接中就不会出现早已失效的连接请求报文

8. TCP协议无差错传输

• 对比于UDP，TCP的传输是可靠的、无差错的
• 那么，为什么TCP的传输为什么是可靠的、无差错的呢？
• 下面，我将详细讲解TCP协议的无差错传输

8.1 含义

• 无差错：即 传输信道不出差错
• 发送 & 接收效率匹配：即 无论发送方以多快的速度发送数据，接收方总来得及处理收到的数据

8.2 基础：滑动窗口 协议

• 先理解2个基础概念：发送窗口、接收窗口

• 工作原理 对于发送端：

对于接收端：当收到数据帧后，将窗口向前移动一个位置，并发回确认帧，若收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律丢弃。

滑动窗口 协议的重要特性

• 只有接收窗口向前滑动、接收方发送了确认帧时，发送窗口才有可能（只有发送方收到确认帧才是一定）向前滑动
• 停止-等待协议、后退N帧协议 & 选择重传协议只是在发送窗口大小和接收窗口大小上有所差别：

停止等待协议：发送窗口大小=1，接收窗口大小=1；即 单帧滑动窗口 等于 停止-等待协议

后退N帧协议：发送窗口大小>1，接收窗口大小=1。

选择重传协议：发送窗口大小>1，接收窗口大小>1。

• 当接收窗口的大小为1时，可保证帧有序接收。
• 数据链路层的滑动窗口协议中，窗口的大小在传输过程中是固定的（注意要与TCP的滑动窗口协议区别）

8.3 实现无差错传输的解决方案

核心思想：采用一些可靠传输协议，使得

• 针对上述2个问题，分别采用的解决方案是：自动重传协议 和 流量控制 & 拥塞控制协议

解决方案1：自动重传请求协议ARQ（针对 出错重传）

• 定义 即 Auto Repeat reQuest，具体介绍如下：

• 类型

下面，将主要讲解 上述3类协议

类型1：停等式ARQ（Stop-and-Wait）

• 原理：（单帧滑动窗口）停止 - 等待协议 + 超时重传

即 ：发送窗口大小=1、接收窗口大小=1

• 停止 - 等待协议的协议原理如下：

发送方每发送一帧，要等到接收方的应答信号后才能发送下一帧

接收方每接收一帧，都要反馈一个应答信号，表示可接下一帧

若接收方不反馈应答信号，则发送方必须一直等待

类型2：后退N帧协议

也称：连续ARQ协议

• 原理 多帧滑动窗口 + 累计确认 + 后退N帧 + 超时重传

即 ：发送窗口大小>1、接收窗口大小=1

• 具体描述 a. 发送方：采用多帧滑动窗口的原理，可连续发送多个数据帧 而不需等待对方确认 b. 接收方：采用 累计确认 & 后退N帧的原理，只允许按顺序接收帧。具体原理如下：

示例讲解

本示例 = 源站 向 目的站 发送数据帧。具体示例如下：

类型3：选择重传ARQ（Selective Repeat）

• 原理 多帧滑动窗口 + 累计确认 + 后退N帧 + 超时重传

即 ：发送窗口大小>1、接收窗口大小>1

类似于类型2（后退N帧协议），此处仅仅是接收窗口大小的区别，故此处不作过多描述

• 特点 a. 优：因连续发送数据帧而提高了信道的利用率 b. 缺：重传时又必须把原来已经传送正确的数据帧进行重传（仅因为这些数据帧前面有一个数据帧出了错），将导致传送效率降低

由此可见，若信道传输质量很差，导致误码率较大时，后退N帧协议不一定优于停止-等待协议

解决方案2：流量控制 & 拥塞控制（针对 速度匹配）

措施1：流量控制

• 简介

• 示例

• 特别注意：死锁问题

措施2：拥塞控制

• 定义 防止过多的数据注入到网络中，使得网络中的路由器 & 链路不致于过载

拥塞：对网络中的资源需求 > 该资源所能提供的部分

• 与 “流量控制”的区别

• 具体解决方案 共分为2个解决方案：慢开始 & 拥塞避免、快重传 & 快恢复

其中，涉及4种算法，即 慢开始 & 拥塞避免、快重传 & 快恢复

具体介绍如下

解决方案1：慢开始 & 拥塞避免

1.1 储备知识：拥塞窗口、慢开始算法、拥塞避免算法

a. 拥塞窗口

• 发送方维持一个状态变量：拥塞窗口（cwnd， congestion window ），具体介绍如下

b. 慢开始算法

• 原理 当主机开始发送数据时，由小到大逐渐增大 拥塞窗口数值（即 发送窗口数值），从而 由小到大逐渐增大发送报文段
• 目的 开始传输时，试探网络的拥塞情况
• 具体措施

• 示意图

• 特别注意 慢开始的“慢”指：一开始发送报文段时拥塞窗口（cwnd）设置得较小（为1），使得发送方在开始时只发送一个报文段（目的是试探一下网络的拥塞情况）

并不是指拥塞窗口（cwnd）的增长速率慢

c. 拥塞避免 算法

• 原理 使得拥塞窗口（cwnd）按线性规律 缓慢增长：每经过一个往返时间RTT，发送方的拥塞窗口（cwnd）加1

拥塞避免 并不可避免拥塞，只是将拥塞窗口按现行规律缓慢增长，使得网络比较不容易出现拥塞

相比慢开始算法的加倍，拥塞窗口增长速率缓慢得多

• 示意图

1.2 解决方案描述（慢开始 & 拥塞避免）

• 为了防止拥塞窗口（cwnd）增长过大而引起网络拥塞，采用慢开始 & 拥塞避免 2种算法，具体规则如下

• 实例说明

解决方案2：快重传 & 快恢复

快重传 & 快恢复的解决方案 是对慢开始 & 拥塞避免算法的改进

2.1 储备知识：快重传算法、快恢复算法

a. 快重传算法

• 原理
• 接收方 每收到一个失序的报文段后 就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方），而不要等到自己发送数据时才进行捎带确认
• 发送方只要一连收到3个重复确认就立即重传对方尚未收到的报文段，而不必 继续等待设置的重传计时器到期
• 作用 由于发送方尽早重传未被确认的报文段，因此采用快重传后可以使整个网络吞吐量提高约20%
• 示意图

b. 快恢复

当发送方连续收到3个重复确认后，就：

注：

由于跳过了拥塞窗口（cwnd）从1起始的慢开始过程，所以称为：快恢复

此处网络不会发生网络拥塞，因若拥塞，则不会收到多个重复确认报文

2.2 解决方案描述（快重传 & 快恢复）

• 原理 为了优化慢开始 & 拥塞避免的解决方案，在上述方案中加入快重传 & 快恢复 2种算法，具体规则如下

• 示意图

至此，关于TCP无差错传输的知识讲解完毕。

9. TCP协议与UDP协议的区别

10. TCP协议总结

• 本文全面讲解了 计算机网络中最重要的TCP协议，含其特点、三次握手、四次挥手、无差错传输等知识，相信你们对TCP协议已经非常了解。