拒绝八股！通俗易懂带你理解TCP协议，轻松拿捏面试官！

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前言

我本人是比较抗拒背八股的，我主张去理解知识，让它真的成为你的一部分，这样在表达的时候就会非常流利，我常和我朋友说每次我面试的时候对于这些八股都是在简单的吟诵，因为我真的理解掌握了这些知识。但是网络、计算机组成的具体内容确实不像代码一样容易理解，所以很多人只能死记硬背。

其实这些所谓的八股，除了设计者和专精的工程师，又有多少人能真正确定自己对这些知识的理解是没有错误的呢？只要在面试中表达出自己的理解，而不是死记硬背，相信就能够和普通的候选人拉开差距了。

闲话少说，下面是我对于TCP协议的一些个人理解，可能会带有错误，欢迎大家指正。

不简单的TCP协议

TCP内部的实现是很复杂的，我会从流量控制、可靠交付、拥塞控制、TCP报文、三次握手四次挥手、重传时间等内容和大家稍微聊聊TCP的具体实现，以及为什么要这么做。

TCP的地位：是整个网络协议族中最重要的一个，TCP在网络协议族中是很特别的，因为整个网络，我们姑且分为课本上的五层吧，从下到上即物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层五层，只有传输层的TCP能做到可靠交付，这也是为什么很多应用都是用TCP的原因，所以在面试中TCP绝对是重点中的重点。

TCP：传输控制协议（英语：Transmission Control Protocol，缩写：TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能。用户数据报协议（UDP）是同一层内另一个重要的传输协议。

在因特网协议族（Internet protocol suite）中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。

应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分割成适当长度的报文段（通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元（MTU）的限制）。之后TCP把结果包传给IP层，由它来透过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认信息（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失并进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误，在发送和接收时都要计算校验和。（维基百科）

TCP报文

1.源端口，目的端口：每个两字节

2.序号：两字节，TCP的每个字节都按照序号编序（这也是面向字节流的一个标志），建立连接时序号是随机的 而后的序号都在此基础上递增。比如我第一次握手seq=10086 第三次握手seq=10087 之后又传了一百字节的数据，那么再发数据,seq=10087+100+1=10188。

3.确认号：两字节，希望对方下一个报文段的序号 这也是为什么握手的时候ack=seq+1 确认号代表前面序号的字节都已经成功按序收到（捎带确认机制），当客户端发送过来的序号seq=10086时，报文长度为200，那么服务端的ack应该是12087，表示对之前所有报文的确认。

4.数据偏移：四位，实际上表示的是首部长度，最大十进制数转换过来对应的是15，代表头部最多大小为60字节，所以TCP头部的长度应该是20-60间以4字节为单位变化的，不可能出现30字节长度的TCP头部

5.保留：六位，今后使用

然后就是6个控制位，每个1为，数据偏移+保留+6控制位=2字节

6.紧急URG：表明该报文优先级很高，当URG=1时，报文会被放在发送方此次发送报文的最前端进行优先发送

7.确认ACK：ACK=1 确认号有效 建立连接之后 每次ACK=1

8.推送PUSH：PUSH=1 立即创建一个报文段发送出去（用得少）

9.复位RST：RST=1 表示TCP连接出现严重错误，需要重新连接

10.同步SYN：SYN=1 表明这是一个连接请求报文

11.窗口：2字节，滑动窗口的大小 我们后面细说

12.检验和：2字节，这个用途和UDP的一样，加上12字段伪首部之后进行校验

13.紧急指针：2字节，只有当URG=1时才有意义，指出本报文段中紧急数据的字节数

14.选项：长度可变，最大40字节（窗口扩大选项、时间戳选项等等）

TCP的特点

• 连接点对点

• 全双工 A可以给B发 B也可以给A发

• 面向连接 只有连接建立完成 才可以发数据

• 拥塞控制 主要是通过以下机制来完成的（慢开始 拥塞避免 快恢复和快重传）

• 可靠交付

• 面向字节流

这些下面都会一一介绍

TCP和UDP的区别

TCP是一个复杂的协议 而UDP比较简单

1.连接 TCP是一个面向连接的协议 而UDP是一个无连接协议 即TCP需要连接建立之后才能传输数据 而UDP在未建立连接时就能够传输数据

2.交付 TCP是一个可靠交付的协议 而UDP只能尽最大努力交付 可靠交付指的是数据按序到达 不丢失 不重复

3.数量 TCP是一个点对点的全双工协议 而UDP支持一对一 一对多 多对多

4.首部长度 TCP的首部长度更长 20-60字节 而UDP的首部固定为8个字节

5.面向 TCP面向的是字节流 即上层应用层交付下来的数据报 在TCP的眼中是一串字节流 而UDP是面向数据报的

6.是否具有拥塞控制 TCP是有拥塞控制的 在网络拥塞时源点主机的发送速率会降低 而UDP不具有拥塞控制 一些追求传输效率的应用通常使用UDP协议

所谓面向字节流 指的是TCP发送端发送几次数据和接收端接受几次数据时没有必然联系的

比如发送端调用一次write写了一百个字节 但是接受端可以分10次接受 也可以写10次100字节 接收端一次接收完

原因:

TCP面向连接 一个Socket收到的数据由同一台数据发出 并且有序到达 所以每次读取多少数据都可以 因为我知道前面的数据都是对的 某些时候为了节省资源 程序可能会选择"攒一会"再读

而UDP协议不知道前面的数据是否是错的 所以每次发送就对应着一次接收 如果错了就再发

应用区别：

UDP：追求高速度的应用一般用的是UDP（KCP），比如视频、音频、实时游戏、广播，而且通常这些应用对于数据的可靠性要求不是很高，视频丢点数据（丢几帧 后面再补上），你也看不出来，但是速度慢就不能接受了，玩英雄联盟慢一秒别人就把你头打爆了

TCP：可靠传输，HTTP用的就是TCP（后面用为了追求性能用UDP去了，我们之后详说），任何确保数据可靠的应用都应该使用TCP

典中典之三次握手 四次挥手

相信很多同学都听说过三次握手 四次挥手的问题，也大概知道过程是什么样的，但是自己讲很难讲清楚，我们现在来捋一捋这到底是是个什么过程，以及为什么要三次握手四次挥手

注：下文的客户端和服务器是站在应用层角度的，可以理解成发送方和接收方

三次握手

第一次握手：客户端向服务器发送TCP请求连接报文，SYN置1，seq=x (都知道SYN和seq是啥吧)

第二次握手：服务器收到报文，发送TCP确认报文，SYN=ACK=1，seq=y ack=x+1

第三次握手：客户端收到报文，发送ACK=1,seq=x+1,ack=y+1

怎么记忆这个过程呢？

第一次和第二次握手 都属于正儿八经连接建立的过程 我们之前说过SYN置一的情况是请求连接报文才有的 所以前两次握手是有SYN的

第三次握手是对前两次握手的确认过程 即确认 客户端感知到服务器的存在 服务器也知道客户端的存在 所以不需要SYN

因为第一次握手发送的报文是没有实体数据的，所以第三次握手seq=第一次握手seq+1

注：第三次握手可以带数据 前面两次不行

为什么需要三次握手

这个一般是和三次握手一起问的

我个人理解有两个原因

1.TCP是面向连接的 如果只进行两次握手 服务器其实是不知道连接是否建立成功的

2.如果只进行两次握手，那么会出现这么一种情况，因为网络延迟，客户端向服务器发了一次连接请求报文，但是服务器暂时没收到，然后客户端又发了一次，这次服务器收到了，两次握手成功了，这时第一次发送的请求来了，服务器也会做出响应，就会同时有两个TCP连接，浪费资源。但是如果有三次握手的话，服务器进行确认的时候，客户端会忽略掉这次确认（想一想为什么）

四次挥手

第一次：客户端主动发送断开请求，FIN=1(这是一个请求断开的报文)，seq=x

第二次：服务器收到之后 发送 ACK=1 seq=v ack=x+1 然后处于半关闭状态Close-wait

第三次：服务器发送FIN=1 ACK=1 seq=w ack=x+1

第四次：客户端收到后 发送ACK=1 seq=u+1 ack=w+1

一些解释

1.第三次为什么seq=w 是因为我们假设第二次到第三次的期间 服务器还在发数据

2,为什么第三次也有ACK字段

个人理解：TCP报文规定了只要建立连接之后所有报文都有ACK字段，所以其实第一次也有ACK字段的，只是大部分教材没有画出来

（八股文的很多细节是无法深究的 不是TCP的设计者谁知道真相是什么呢 我觉得只要有自己的理解 就已经超越很多死背书的人了）

3.为什么服务器连着给客户端发两次 一次不行吗？

第一次是对客户端发来的确认

第二次是请求和客户端断开

而且在这两次发送报文之间 服务器是可以发送数据的 客户端不行

为什么需要四次挥手

服务器决定进行第二次挥手和第三次挥手，某些时候把两次挥手合并，因为中间等不等待其实是由服务端应用程序决定的（handler），如果没有数据要发，同时又开启了tcp的延迟确认，那么就会合并挥手，这也是抓包的时候为什么能抓到三次挥手的包。

为什么需要等待2MSL

1.释放的端口可能会重连刚断开的服务器端口，而第二次挥手之后服务器还在给该端口发数据，如果不等的话，在这个通道里的老TCP报文可能和新的报文冲突，造成数据紊乱，2MSL（两倍生存时间，原因我推测可能是计算客户端发送给服务器，服务器处理之后再返回过来）是足够让客户端全部收到第二次挥手后的数据的。具体的时间不同版本其实也不一样，有兴趣的同学可以深入了解

2.保证确认断开，如果最后一次确认丢失了，服务器会重新进行第三次挥手，这样客户端还能够对第三次挥手的FIN报文进行处理

TCP怎么保证可靠交付

这个问题是一个很广泛的问题 基本把所有TCP的设计思想都包含了

什么是可靠交付？

我认为最起码要做到这几点：数据不丢 数据不重 数据按序 数据不错

1.数据不丢：TCP使用了确认-重传机制，对每一个收到的正确报文进行确认(ack)，如果发现有数据没有被确认，就重传，其中重传又有超时重传和快重传

2.数据不重/不错：接收方会对数据进行检验。重复的数据丢弃，错误的数据丢弃，并不进行确认。

3.数据按序：流量控制，不至于一下发很多报文，而且会对数据包进行重新排序

TCP确认-重传机制

相信大家已经懂什么是确认了吧，简单来说，接收端发送ack=10001的报文，就说明从连接开始的序列号（假设是100）到ack-1（10000）的报文都是可靠交付的。

重传也很简单，我们先来聊聊超时重传

什么时候重传呢？

其实TCP在传递数据的时候，会设置一个超时计时器，当超时计时器触发了，发送端还没有收到来自接收端的确认报文，那么就认为这个消息没成功传递，原因可能有很多，网络阻塞，丢包，数据出错等等

问题来了：超时计时器怎么设置呢？每一个数据的超时时间都不一样吗？怎么能做到既不浪费算力，又能高效确认超时呢？

首先超时时间肯定不能选的很短，不然会很容易重发，浪费很多资源。

也不能很长，因为发送端只有收到确认之后才回删除数据，这样会浪费发送端的资源。

所以重传时间RTO我们一般设为比平常报文的平均往返时间稍微长一点点

具体公式如下：

RTTS(加群啊平均往返时间)=（1-a) x 旧的RTTS+ a x RTTS RFC文档推荐 a=0.125

RTTD（RTT偏差加权值) =(1-b) x 旧的RTTD + b x (RTTS-RTTD) RFC文档推荐b=0.25

RTO=RTTS+4 * RTTD

而每次触发超时重传 RTO=2 X RTO

TCP的流量控制

什么是流量控制？为什么要流量控制？

简单来说流量控制就是接收方通过参数控制发送方的速度，记得我们上文讲到的TCP报文的窗口字段吗，这个就是调控的因素，当接收方的缓存变少，就把窗口变小，发送方就会把数据发的慢一点，窗口的大小就是发送速度的大小

而我们提到的这种方案，就是TCP的滑动窗口，它的思想与算法中的滑动窗口类似，维护一个变长的窗口值，落在窗口里的就是可以发送的，在窗口后面的就是发完了的，窗口前面的就是还没发的，窗口是以字节为单位的，这也能体现TCP的面向字节流思想。

注意：发送端和接收端的窗口大小不可能做到完全同步，因为网络具有时延，当窗口为0的时候，发送端不再发送数据，待接收端缓冲区有空间了之后，会重新打开滑动窗口，让发送端继续发送数据。

TCP的拥塞控制

什么是拥塞？

拥塞：对网络中的某种资源的需求超过了资源可提供的部分

TCP采用四种算法避免拥塞

我们把A设为发送方 B设为接收方

发送方维护一个cwnd（拥塞窗口)的动态变量，其值取决于网络的拥塞程度，还有一个慢启动门限ssthresh状态变量

原则：没有拥塞，把cwnd变大，拥塞了，把cwnd缩小 思想很简单，实现很复杂

现在是不是有点蒙，之前不是提到了发送窗口大小吗，怎么又来了个拥塞窗口，A到底用什么速度发数据

经查证：发送窗口大小等于min(cwnd，B的接收窗口)

1.慢开始:cwnd小于ssthresh时，采用这种算法，cwnd大小按照指数扩容，每次 x 2

2.拥塞避免：cwnd>=ssthresh时，采用这种算法，cwnd按照常数扩容，每次+1

判断拥塞：当网络中有一段数据重传，则认为网络拥塞，ss变为拥塞时的一半,cwnd变为1

大家是不是觉得很不科学，因为丢包是很正常的，再牛逼的网络也会丢包，重传一次就认为拥塞，cwnd可能永远都等于1

因此TCP还有一种重传机制

3.快重传：不需要等到超时才进行重传，当B给A连着发了三次ack一致的确认报文，A就认为数据丢失了，重发ack之后的数据

4.快恢复:当快重传被触发时，同时执行快恢复算法，ss=拥塞时的一半，cwnd=ss，执行拥塞避免算法

TCP到底用的是超时重传还是快重传

相信如果你听懂了上面的内容，你脑子里应该有这个疑问

TCP到底是两种都用，还是拥塞的时候用快重传，平常使用超时重传呢？

我们计网老师说的是后者，但是TCP是如何判断网络是否拥塞的呢，已经建立连接的TCP能动态修改重传策略吗？

从业务的角度来说我觉得答案更可能是前者，毕竟这么玩能提高速度。

结语

今天的内容到这里就结束了，如果对您有所帮助，欢迎点赞、评论、收藏，您的支持就是对我最大的鼓励。