TCP（Transmission Control Protocol）是互联网中最重要的传输层协议之一，其设计目标是提供可靠的、面向连接的、全双工的数据传输服务。本文将从核心机制、工作原理到经典面试题，全面解析 TCP 协议的关键特性。
一、TCP 核心特性
1. 有连接
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三次握手建立连接，四次挥手释放连接，确保通信双方的数据传输路径畅通。
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面向连接 vs 无连接（如 UDP）：TCP 在数据传输前需要建立虚拟链路，而 UDP 直接发送数据包。
2. 可靠传输
通过以下机制保证数据可靠到达：
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确认应答（ACK）：接收方收到数据后发送 ACK 确认。
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超时重传：发送方未收到 ACK 时重传数据。
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序列号与确认号：标识数据包的顺序和完整性。
3. 面向字节流
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数据被看作无结构的字节流，发送方和接收方通过缓冲区处理数据。
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粘包问题：多个数据包在传输中粘连，需应用层处理（如定义消息边界）。
4. 全双工通信
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双方可同时发送和接收数据，通过独立的发送和接收缓冲区实现。
二、TCP 可靠传输的核心机制
1. 确认应答（ACK）
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核心原理：接收方收到数据后返回 ACK（确认号 = 已接收数据的下一字节序号）。
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示例：
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发送方发送数据包
Seq=1, Len=100→ 接收方返回ACK=101。 -
若发送方未收到 ACK，触发超时重传。
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2. 超时重传
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动态计算超时时间（RTO）：基于网络往返时间（RTT）调整。
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快速重传：收到 3 个重复 ACK 时立即重传，无需等待超时。
3. 滑动窗口
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核心作用：提高传输效率，允许发送方连续发送多个数据包而无需等待单个 ACK。
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窗口大小：由接收方通过 TCP 头部字段通告，动态调整（流量控制）。
三、TCP 连接管理：三次握手与四次挥手
1. 三次握手（建立连接）
Client Server|-------- SYN (Seq=100) --------->| |<------- SYN+ACK (Seq=300, ACK=101) ----||-------- ACK (ACK=301) --------->|
关键问题：
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为什么需要三次握手？
防止已失效的连接请求突然到达服务器，导致资源浪费（如网络延迟导致的旧 SYN 包）。 -
握手过程中的状态转换：
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Client：
SYN_SENT→ESTABLISHED -
Server：
LISTEN→SYN_RCVD→ESTABLISHED
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2. 四次挥手（释放连接）
Client Server|-------- FIN (Seq=500) --------->| |<------- ACK (ACK=501) ----------||<------- FIN (Seq=700) ----------||-------- ACK (ACK=701) --------->|
关键问题：
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为什么需要四次挥手？
TCP 是全双工的，需双方独立关闭发送和接收通道。 -
TIME_WAIT 状态的作用：
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确保最后一个 ACK 到达服务器。
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允许旧数据包在网络中消散，避免新连接收到旧数据。
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四、其他关键机制
1. 流量控制
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滑动窗口协议：接收方通过 TCP 头部的
窗口大小字段告知发送方可接收的数据量。 -
零窗口探测：当接收方窗口为0时，发送方定期发送探测包。
2. 拥塞控制
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慢启动：初始窗口较小，指数级增长。
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拥塞避免：窗口线性增长，避免网络过载。
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快速恢复：在快速重传后调整窗口大小。
五、经典面试题解析
1. 三次握手中交换了哪些信息？
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Client 发送 SYN 包：初始序列号（ISN）、窗口大小、支持的 TCP 选项（如 MSS）。
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Server 返回 SYN+ACK 包：ISN、ACK 号、窗口大小、TCP 选项。
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Client 发送 ACK 包：确认号。
2. SYN 洪泛攻击是什么？如何防御？
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攻击原理：攻击者发送大量 SYN 包但不完成握手，耗尽服务器资源。
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防御方案：SYN Cookie、限制半连接数、使用防火墙过滤异常流量。
3. TIME_WAIT 状态为什么要等待 2MSL？
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MSL（Maximum Segment Lifetime）：报文最大生存时间（通常 30s–2min）。
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等待 2MSL：确保最后一个 ACK 到达 + 旧数据包从网络中消失。
4. TCP 如何保证数据顺序？
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通过序列号（Seq）和确认号（ACK）标识数据包的顺序，接收方按序重组数据。
5. 什么是 Nagle 算法？
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目的：减少小数据包的发送次数，合并多个小数据包。
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触发条件：发送方在未收到前一个数据包的 ACK 时，缓存后续数据。
六、总结
TCP 协议的复杂性体现在其精细设计的可靠传输机制、连接管理策略和动态调整算法。实际应用中需结合 Wireshark 抓包工具观察 TCP 行为，或通过netstat命令查看连接状态。
