Linux高性能网络编程十谈 | TCP底层的收发过程

Linux高性能网络编程十谈 | TCP底层的收发过程

在网络编程中，TCP（传输控制协议）是应用最为广泛的协议之一。它提供了可靠的数据传输服务，确保数据在网络中的正确传输。本文将深入探讨TCP底层的收发过程，帮助读者更好地领会TCP在网络通信中的作用。

1. TCP协议概述

TCP（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它位于OSI模型的第四层，负责在两个网络设备之间生成连接，确保数据的可靠传输。

2. TCP连接生成

在TCP通信中，首先需要生成连接。这个过程称为三次握手（Three-way Handshake）。以下是三次握手的步骤：

1. 客户端发送一个SYN包到服务器，同时客户端进入SYN_SENT状态。
2. 服务器收到SYN包，发送一个SYN+ACK包作为响应，同时服务器进入SYN_RCVD状态。
3. 客户端收到SYN+ACK包，发送一个ACK包作为响应，同时客户端进入ESTABLISHED状态。
4. 服务器收到ACK包，进入ESTABLISHED状态。

3. TCP数据传输

在连接生成后，客户端和服务器可以起始传输数据。以下是TCP数据传输的基本过程：

1. 客户端将数据分割成多个TCP段。
2. 每个TCP段包含序列号和确认号，以便于数据重传和排序。
3. 客户端将TCP段发送到服务器。
4. 服务器接收到TCP段，进行校验和确认，然后发送ACK包。
5. 客户端收到ACK包，继续发送下一个TCP段。
6. 重复以上步骤，直到所有数据传输完毕。

4. TCP数据重传

由于网络环境的不确定性，TCP也许会丢失数据。为了确保数据的可靠传输，TCP采用了数据重传机制。以下是数据重传的步骤：

1. 如果客户端在超时时间内没有收到服务器的ACK包，它将重新发送该TCP段。
2. 服务器收到重传的TCP段后，确认数据接收无误，并重新发送ACK包。
3. 客户端收到重传的ACK包，继续发送下一个TCP段。

5. TCP连接关闭

在数据传输完成后，客户端和服务器需要关闭连接。这个过程称为四次挥手（Four-way Handshake）。以下是四次挥手的步骤：

1. 客户端发送一个FIN包到服务器，同时客户端进入FIN_WAIT_1状态。
2. 服务器收到FIN包，发送一个ACK包作为响应，同时服务器进入CLOSE_WAIT状态。
3. 客户端收到ACK包，进入FIN_WAIT_2状态。
4. 服务器发送一个FIN包到客户端，同时服务器进入LAST_ACK状态。
5. 客户端收到FIN包，发送一个ACK包作为响应，同时客户端进入TIME_WAIT状态。
6. 服务器收到ACK包，进入CLOSED状态。
7. 客户端等待一段时间后，进入CLOSED状态。

6. TCP拥塞控制

在网络中，当大量数据传输时，也许会出现拥塞现象。为了解决拥塞问题，TCP采用了拥塞控制机制。以下是TCP拥塞控制的基本原理：

1. 慢启动：TCP连接生成时，拥塞窗口（cwnd）从1起始，每经过一个RTT（往返时间），cwnd加倍增长。
2. 拥塞避免：当cwnd增长到一定阈值（ssthresh）时，TCP进入拥塞避免阶段，每经过一个RTT，cwnd增长1。
3. 飞速重传和飞速恢复：当检测到数据包丢失时，TCP会立即进行飞速重传，并进入飞速恢复阶段，cwnd增长至ssthresh的2倍。

7. TCP流量控制

TCP流量控制是为了避免发送方发送的数据超过接收方的处理能力。以下是TCP流量控制的基本原理：

1. 接收方通过发送窗口（rwnd）来控制发送方的发送速率。
2. 发送方通过接收方的rwnd来调整发送速率。

8. TCP定时器

TCP定时器用于处理超时

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