TCP協(xié)議、算法和原理的介紹

TCP 的那些事兒（上）

TCP是一個巨復雜的協(xié)議，因為他要解決很多問題，而這些問題又帶出了很多子問題和陰暗面。所以學習TCP本身是個比較痛苦的過程，但對于學習的過程卻能讓人有很多收獲。關于TCP這個協(xié)議的細節(jié)，我還是推薦你去看W.Richard Stevens的《TCP/IP 詳解 卷1：協(xié)議》（當然，你也可以去讀一下RFC793以及后面N多的RFC）。另外，本文我會使用英文術語，這樣方便你通過這些英文關鍵詞來查找相關的技術文檔。

之所以想寫這篇文章，目的有三個，

一個是想鍛煉一下自己是否可以用簡單的篇幅把這么復雜的TCP協(xié)議描清楚的能力。

另一個是覺得現(xiàn)在的好多程序員基本上不會認認真真地讀本書，喜歡快餐文化，所以，希望這篇快餐文章可以讓你對TCP這個古典技術有所了解，并能體會到軟件設計中的種種難處。并且你可以從中有一些軟件設計上的收獲。

最重要的希望這些基礎知識可以讓你搞清很多以前一些似是而非的東西，并且你能意識到基礎的重要。

所以，本文不會面面俱到，只是對TCP協(xié)議、算法和原理的科普。

我本來只想寫一個篇幅的文章的，但是TCP真TMD的復雜，比C++復雜多了，這30多年來，各種優(yōu)化變種爭論和修改。所以，寫著寫著就發(fā)現(xiàn)只有砍成兩篇。

上篇中，主要向你介紹TCP協(xié)議的定義和丟包時的重傳機制。

下篇中，重點介紹TCP的流迭、擁塞處理。

廢話少說，首先，我們需要知道TCP在網絡OSI的七層模型中的第四層——Transport層，IP在第三層——Network層，ARP在第二層——Data Link層，在第二層上的數(shù)據，我們叫Frame，在第三層上的數(shù)據叫Packet，第四層的數(shù)據叫Segment。

首先，我們需要知道，我們程序的數(shù)據首先會打到TCP的Segment中，然后TCP的Segment會打到IP的Packet中，然后再打到以太網Ethernet的Frame中，傳到對端后，各個層解析自己的協(xié)議，然后把數(shù)據交給更高層的協(xié)議處理。

TCP頭格式

接下來，我們來看一下TCP頭的格式

TCP頭格式（圖片來源）

你需要注意這么幾點：

TCP的包是沒有IP地址的，那是IP層上的事。但是有源端口和目標端口。

一個TCP連接需要四個元組來表示是同一個連接（src_ip, src_port, dst_ip, dst_port）準確說是五元組，還有一個是協(xié)議。但因為這里只是說TCP協(xié)議，所以，這里我只說四元組。

注意上圖中的四個非常重要的東西：

Sequence Number是包的序號，用來解決網絡包亂序（reordering）問題。

Acknowledgement Number就是ACK——用于確認收到，用來解決不丟包的問題。

Window又叫Advertised-Window，也就是著名的滑動窗口（Sliding Window），用于解決流控的。

TCP Flag?，也就是包的類型，主要是用于操控TCP的狀態(tài)機的。

關于其它的東西，可以參看下面的圖示

?

TCP的狀態(tài)機

其實，網絡上的傳輸是沒有連接的，包括TCP也是一樣的。而TCP所謂的“連接”，其實只不過是在通訊的雙方維護一個“連接狀態(tài)”，讓它看上去好像有連接一樣。所以，TCP的狀態(tài)變換是非常重要的。

下面是：“TCP協(xié)議的狀態(tài)機”（圖片來源） 和 “TCP建鏈接”、“TCP斷鏈接”、“傳數(shù)據” 的對照圖，我把兩個圖并排放在一起，這樣方便在你對照著看。另外，下面這兩個圖非常非常的重要，你一定要記牢。（吐個槽：看到這樣復雜的狀態(tài)機，就知道這個協(xié)議有多復雜，復雜的東西總是有很多坑爹的事情，所以TCP協(xié)議其實也挺坑爹的）

很多人會問，為什么建鏈接要3次握手，斷鏈接需要4次揮手？

對于建鏈接的3次握手，主要是要初始化Sequence Number 的初始值。通信的雙方要互相通知對方自己的初始化的Sequence Number（縮寫為ISN：Inital Sequence Number）——所以叫SYN，全稱Synchronize Sequence Numbers。也就上圖中的 x 和 y。這個號要作為以后的數(shù)據通信的序號，以保證應用層接收到的數(shù)據不會因為網絡上的傳輸?shù)膯栴}而亂序（TCP會用這個序號來拼接數(shù)據）。