一、TCP协议
1、基本概念
TCP全称为 “传输控制协议(Transmission Control Protocol”)， TCP协议是网络模型中传输层协议，为应用层程序提供可靠的数据传输，因此协议也相对复杂一些；
2、TCP协议主要特点
（1）支持面向连接的传输服务
应用程序在使用TCP协议所能提供的服务传送数据之前，必须在源端口与目的端口之间建立一条TCP传输连接。TCP建立在不可靠的IP协议之上，IP协议不能提供任何可靠性保障机制，因此TCP协议的可靠性需要自己来解决。
（2）支持字节流的传输
流相当于一个管道，从一端放入什么内容，从另一端可以照样取出什么内容。表现了数据传输过程中不丢失、重复和乱序的特点。
（3）支持全双工通信
TCP协议允许通信双方的应用程序在任何时候都可以发送数据，通信的双方都有发送和接收缓冲区，数据的实际收发过程都由TCP协议控制。
（4）支持同时建立多个并发的TCP连接
根据应用程序的需要，TCP协议支持一个服务器与多个客户端同时建立多个TCP连接，也支持一个客户端同时与多个服务器端建立多个TCP连接，TCP协议软件将分别管理多个TCP连接。
（5）支持可靠的传输服务
TCP使用确认机制检查数据是否安全和完整的到达，并且提供重传/拥塞控制功能，
但是需要注意的是：一旦IP协议及以下层出现传输错误时，TCP协议只能不断进行重传。
3、TCP协议的报文格式
TCP协议段格式如下：
字段说明：
| 字段 | 说明 |
|---|---|
| 源端口号和目的端口号 | 表示数据从哪里来，到哪里去，均为16位（2字节） |
| 32位序号 | 一次TCP通信（建立到断开）过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号，它保证了TCP通信的有序性，解决网络包乱序的问题，由于有了这个编号，接收端可以根据这个序号进行确认，可以保证每个分段在原始数据包中的位置，初始***由自己定，而后绪的***由对端的ACK决定：SN_x = ACK_y (x的***=y发给x的ACK) |
| 32位确认序号 | 用来对另一方发送来的TCP报文段的确认响应，其值是收到的TCP报文段的序号+1，也是对发送端下一次发报文段过来的序号，期望发送端以这个序号开始发送自己的分组，这样可以保证发送过来的报文是有序的，否则发送端不能确认之前的报文是否有被收到，而要决定是否重传。 |
| 4位首部长度 | TCP实际报头长度是20~60字节 |
| 控制字段 | 紧急位URG=1，表示该报文段的优先级最高；确认位ACK=1，TCP建立连接之后发送的所有报文段都为1；推送位PSH，一端应用进程在输入一个命令之后，能够立即得到对方的响应，就将PSH置为1；复位位RST：当RST=1时，有两种含义：一是因为主机崩溃等原因造成TCP连接出错，需要释放连接，并重新建立连接；二是拒绝一个非法TCP报文或拒绝释放一个连接。同步位SYN：在连接建立时用来同步序号；终止位FIN：用来释放一个TCP连接 |
| 16位窗口大小 | 窗口字段值是准备接收下一个TCP报文段的接收端，通知即将发送报文段的发送端，下一次最多可以发送报文段的字节数，发送端将根据接收端通知的窗口值来调整自己发送窗口值的大小。 |
| 校验和 | TCP校验和是必须的 |
| 紧急指针 | 当紧急标志URG=1时，这个位字段有效，这时的报文段中包括紧急数据 |
| 选项 | 选项字段多达40个字节 |
二、TCP连接建立与释放
1、TCP连接建立—–“三次握手”
TCP建立连接需要经过“三次握手”，这个过程可以描述如下：
文字描述如下：
（1）最初的客户端TCP进程是处于“CLOSE”状态，当客户端准备发起一次TCP连接，首先向LISTEN状态的服务器端TCP进程发送第一个控制位SYN=1的“连接建立请求报文”，然后进入“SYN-SEND”状态
（2）服务器端在接收到“连接建立请求报文”之后，如果同意连接，就向客户端发送第二个控制位SYN=1，ACK=1的“连接建立请求确认报文”，这是服务器进入“SYN-RCVD”状态。
（3）在接收到“连接建立请求报文确认”之后，客户端发送第三个控制位ACK=1“连接建立请求确认报文”，这是客户端进入“ESTABLISHED”状态，服务器端在接收ACK报文之后，也进入“ESTABLISHED”状态，TCP连接建立成功。
2、数据传输
数据传输流程图如下：
文字描述：
（1）当客户进程和服务器进程之间的TCP传输连接建立之后，客户端的应用进程与服务器进程就可以使用这个连接，进行全双工的字节流传输。
（2）为了保证TCP工作正常、有序地进行，TCP设置了保持计时器，用来防止TCP连接处以长时期空闲。
（3）当服务器端收到客户端的报文时，就将计时器复位
（4）如果服务器端过了设定的时间没有收到客户端的信息，它就发送探测报文，如果发送10个探测报文还没有响应，就假设客户端出现故障，进而终止连接。
3、TCP释放连接—–“四次挥手”
TCP释放连接“四次挥手”示意图如下：
文字描述：
（1）当客户准备结束一次数据传输，主动提出释放TCP连接时，进入“FIN-WAIT-1”状态。它向服务器端发送第一个控制位FIN=1的“连接释放请求”报文，并停止发送数据。
（2）服务器端在接收“连接释放请求”报文后，需要向客户端发送“连接释放请求确认报文”，表示对接收第一个链接释放请求报文确认。
此时，TCP服务器进程向高层应用通知客户端请求释放TCP连接，客户到服务器的TCP连接断开。
（3）服务器向客户端发送“释放连接请求报文”；
（4）客户端在收到FIN报文后，向服务器发送“连接释放请求确认”报文，表示对服务器“连接释放请求报文”的确认。
4、时间等待计时器的作用
为了保证TCP连接释放过程正常运行，TCP设置了时间等待计时器，当TCP关闭一个连接时，它并不认为这个连接马上就真正关闭，这时，客户端进入“TIME-WAIT”状态，需要再等待两个最长报文寿命（2MSL）时间之后，才真正进入“CLOSE”状态。
客户端与服务器端经过“四次挥手”之后，确认双方已经同意释放连接，客户端仍然需要等待2MSL时间，确保服务器在最后阶段发送给客户端的数据，以及客户端发送给服务器端最后一个“ACK”报文都能被正确的接收，防止连接释放失败。
三、TCP重传机制
TCP要保证所有的数据包都可以到达，所以，必需要有重传机制。
注意，接收端给发送端的ACK确认只会确认最后一个连续的包，比如，发送端发了A、B、C、D、F一共五份数据，接收端收到了，于是回ack C，然后收到了D（注意此时3没收到），此时的TCP会怎么办？我们要知道，因为正如前面所说的，SeqNum和ACK是以字节数为单位，所以ack的时候，不能跳着确认，只能确认最大的连续收到的包，不然，发送端就以为之前的都收到了。
1、超时重传机制
一种是不回ack，死等C，当发送方发现收不到C的ack超时后，会重传C。一旦接收方收到C后，会ack 回 D——意味着C和D都收到了。
但是，这种方式会有比较严重的问题，那就是因为要死等C，所以会导致D和F即便已经收到了，而发送方也完全不知道发生了什么事，因为没有收到Ack，所以，发送方可能会悲观地认为也丢了，所以有可能也会导致D和F的重传。
对此有两种选择：
（1）选择重传方式
只将丢失的字节序号通知发送端，发送端只需要重传丢失的报文，而不需要重传已经接收的报文段。
（2）拉回方式
也就是需要在第三个数据开始，不管之后的报文段接收是否正确，重传C、D、F这三个报文段。
这两种方式有好也有不好。第一种会节省带宽，但是慢，第二种会快一点，但是会浪费带宽，也可能会有无用功。但总体来说都不好。因为都在等timeout，timeout可能会很长。
2、快速重传
这个机制不以时间为驱动，而是以数据来重传！如果接收端包收包没有连续到达，就ACK最后那个可能被丢了的包，如果发送方连续收到接收端3次相同的ack，就重传。
例如：如果发送方发出了1，2，3，4，5份数据，第一份先到送了，于是就ack回2，结果2因为某些原因没收到，3到达了，于是还是ack回2，后面的4和5都到了，但是还是ack回2，因为2还是没有收到，于是发送端收到了三个ack=2的确认，知道了2还没有到，于是就马上重转2。然后，接收端收到了2，此时因为3，4，5都收到了，于是ack回6。
四、TCP流量控制
如果发送方把数据发送得过快，接收方可能会来不及接收，这就会造成数据的丢失。所谓流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。
（1）当接受方来不及处理发送方的数据，能提示发送方降低发送的速率，防止包丢失
（2）通过窗口来控制 （窗口大小字段越大, 说明网络的吞吐量越高）
所以，简单来说，就是接收方处理不过来数据的时候，就把窗口缩小,并把窗口值告诉发送端。
那么接收端如何把窗口大小告诉发送端呢?
在第一点讲解TCP首部中, 有一个16位窗口字段, 就是存放了窗口的大小信息。
五、TCP窗口与拥塞控制
TCP的拥塞控制由4个核心算法组成：“慢启动”（Slow Start）、“拥塞避免”（Congestion voidance）、“快速重传 ”（Fast Retransmit）、“快速恢复”（Fast Recovery）。
1、慢开始算法
当主机开始发送数据时，如果立即所大量数据字节注入到网络，那么就有可能引起网络拥塞，因为现在并不清楚网络的负荷情况。因此，较好的方法是先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是说，由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。通常在刚刚开始发送报文段时，先把拥塞窗口 cwnd 设置为一个最大报文段MSS的数值。而在每收到一个对新的报文段的确认后，把拥塞窗口增加至多一个MSS的数值。用这样的方法逐步增大发送方的拥塞窗口 cwnd ，可以使分组注入到网络的速率更加合理。
2、拥塞避免算法
让拥塞窗口cwnd缓慢地增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍。这样拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长，比慢开始算法的拥塞窗口增长速率缓慢得多。
3、拥塞控制具体过程为
（1） 当TCP连接进行初始化时，把拥塞窗口cwnd置为1。前面已说过，为了便于理解，图中的窗口单位不使用字节而使用报文段的个数。慢开始门限的初始值设置为16个报文段，即 cwnd = 16 。
（2）在执行慢开始算法时，拥塞窗口 cwnd 的初始值为1。以后发送方每收到一个对新报文段的确认ACK，就把拥塞窗口值另1，然后开始下一轮的传输（图中横坐标为传输轮次）。因此拥塞窗口cwnd随着传输轮次按指数规律增长。当拥塞窗口cwnd增长到慢开始门限值ssthresh时（即当cwnd=16时），就改为执行拥塞控制算法，拥塞窗口按线性规律增长。
（3）假定拥塞窗口的数值增长到24时，网络出现超时（这很可能就是网络发生拥塞了）。更新后的ssthresh值变为12（即变为出现超时时的拥塞窗口数值24的一半），拥塞窗口再重新设置为1，并执行慢开始算法。当cwnd=ssthresh=12时改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长，每经过一个往返时间增加一个MSS的大小。
强调：“拥塞避免”并非指完全能够避免了拥塞。利用以上的措施要完全避免网络拥塞还是不可能的。“拥塞避免”是说在拥塞避免阶段将拥塞窗口控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。
六、关于TCP连接与释放的常见问题
1、为什么是三次握手而不是两次握手？
采用三次握手是为了防止已连接的请求报文段又传送到服务器，造成服务器崩溃。
假设只有两次握手，连接时，第二次丢失，服务器认为连接成功，而客户端认为连接失败，继续发送连接请求，服务器就会收到SYN的洪水攻击。
2、TCP释放连接时为什么是四次挥手？
由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行被动关闭。
假设在断开连接时，如果一端收到FIN包，但此时仍有数据未发送完，此时就需要先向对端回复FIN包的ACK。等到将剩下的数据都发送完之后，才能向对端发送FIN，断开这个方向的连接。
因此很多时候FIN和ACK需要在两个数据包中发送，则需要四次握手。