深入理解 TCP 协议：可靠传输、连接管理与经典面试题解析

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

• 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。
• 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：

• 确认应答（ACK） ：接收方收到数据后发送 ACK 确认。
• 超时重传 ：发送方未收到 ACK 时重传数据。
• 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

• 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。
• 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

• 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）

• 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）。

• 示例 ：

  • 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。

2. 超时重传

• 动态计算超时时间（RTO） ：基于网络往返时间（RTT）调整。
• 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

• 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。
• 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：

• 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 ：

  • Client： SYN_SENT → ESTABLISHED
  • Server： LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED

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：

• 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 ：

  • 确保最后一个 ACK 到达服务器。
  • 允许旧数据包在网络中消散，避免新连接收到旧数据。

四、其他关键机制

1. 流量控制

• 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

• 慢启动 ：初始窗口较小，指数级增长。
• 拥塞避免 ：窗口线性增长，避免网络过载。
• 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？

• Client 发送 SYN 包：初始序列号（ISN）、窗口大小、支持的 TCP 选项（如 MSS）。
• Server 返回 SYN+ACK 包：ISN、ACK 号、窗口大小、TCP 选项。
• Client 发送 ACK 包：确认号。

2. SYN 洪泛攻击是什么？如何防御？

• 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。
• 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？

• MSL（Maximum Segment Lifetime） ：报文最大生存时间（通常 30s–2min）。
• 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？

• 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？

• 目的 ：减少小数据包的发送次数，合并多个小数据包。
• 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。