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【Linux网络】Linux 网络编程：传输层TCP（二）

lichongyang

Linux 网络编程：传输层 TCP（二）—— TCP 可靠传输机制详解

在上一篇《Linux 网络编程：传输层 TCP（一）》中，我们介绍了 TCP 的基本概念、三次握手与四次挥手。本篇将深入讲解 TCP 的核心——可靠传输机制，包括确认应答、序列号、重传机制、滑动窗口、流量控制和拥塞控制等内容。

一、TCP 为什么可靠？

TCP（Transmission Control Protocol）是面向连接、可靠传输的协议。

相比 UDP：

特性TCPUDP
是否连接是否
是否可靠是否
数据顺序保证不保证
流量控制支持不支持
拥塞控制支持不支持

TCP 能够保证：

二、序列号（Sequence Number）

TCP 发送数据时，会给每个字节编号。

例如：

客户端发送：

Hello TCP

转换为字节：

H e l l o   T C P
1 2 3 4 5 6 7 8 9

TCP 会维护一个序列号：

Seq = 1000

发送：

Seq=1000
Length=9

表示：

1000~1008

这些字节的数据已经发送。

序列号作用

用于：

1. 数据排序

假设：

包1 Seq=1000
包2 Seq=2000
包3 Seq=3000

网络中：

包2先到
包1后到
包3最后到

TCP 根据序列号重新排序：

1000
2000
3000

应用层看到的数据仍然正确。

2. 检测丢包

例如：

1000
2000
4000

发现：

3000 丢失

TCP 自动请求重传。

三、确认应答机制（ACK）

TCP 每收到数据：

都会发送确认报文。

例如：

客户端 → 服务端

Seq=1000
Length=100

服务端收到后：

ACK=1100

表示：

1000~1099
已经收到

下一次请从：

1100

开始发送。

ACK 的意义

确认：

我已经收到你发送的数据

避免：

发送方不知道数据是否成功到达

四、超时重传机制

如果发送方迟迟收不到 ACK：

Seq=1000

发送后：

ACK未返回

TCP 认为：

数据丢失

于是：

重新发送

这就是：

Retransmission

重传机制。

超时时间（RTO）

TCP 不会立刻重传。

而是等待：

RTO
Retransmission Timeout

例如：

200ms

超过：

200ms

还没 ACK：

重传

动态调整

网络快：

RTO变小

网络慢：

RTO变大

Linux 内核自动计算：

RTT
Round Trip Time

动态调整超时时间。

五、快速重传（Fast Retransmit）

传统重传：

等超时

效率较低。

TCP 增加：

快速重传

例如：

1000
2000
3000
4000

其中：

2000丢失

收到：

1000
3000
4000

接收方持续发送：

ACK=2000
ACK=2000
ACK=2000

连续三个重复 ACK：

Duplicate ACK

发送方立即判断：

2000丢失

无需等待超时：

直接重传

提高效率。

六、滑动窗口机制（Sliding Window）

如果：

发一个包
等ACK
再发一个包

效率极低。

TCP 引入：

滑动窗口

工作原理

例如窗口大小：

5000字节

发送方可连续发送：

1000
2000
3000
4000
5000

无需等待 ACK。

接收：

ACK=3000

表示：

前3000字节收到

窗口向前滑动：

3001~8000

继续发送。

窗口示意图

已确认 | 已发送未确认 | 可发送 | 不可发送

--------|-----------|------|-------

随着 ACK 到来：

窗口不断向前移动

因此称为：

Sliding Window

七、流量控制（Flow Control）

问题：

发送方速度快。

接收方速度慢。

例如：

发送：
100MB/s

接收：
10MB/s

接收缓冲区很快满了。

TCP 解决方案

接收方告诉发送方：

Window = 4096

表示：

还能接收4096字节

发送方最多发送：

4096字节

缓冲区满

接收方：

Window = 0

表示：

别发了

发送方暂停。

缓冲区恢复

接收方：

Window = 2048

发送方继续发送。

八、拥塞控制（Congestion Control）

流量控制：

防止接收方崩溃

拥塞控制：

防止网络崩溃

网络拥塞

例如：

100台主机

同时发送：

10Gbps

交换机：

只有1Gbps

结果：

大量丢包

网络拥塞。

九、慢启动（Slow Start）

TCP 不知道网络能力。

开始时：

小流量发送

拥塞窗口：

cwnd = 1 MSS

例如：

1460字节

每收到 ACK：

窗口翻倍：

1
2
4
8
16
32
64

指数增长。

示意图

时间 →

1
2
4
8
16
32
64

快速探测网络带宽。

十、拥塞避免（Congestion Avoidance）

达到阈值：

ssthresh

后：

不再指数增长。

改为：

线性增长

例如：

64
65
66
67
68

避免网络突然拥塞。

十一、TCP 拥塞控制过程

完整流程：

慢启动
   ↓
达到阈值
   ↓
拥塞避免
   ↓
发现丢包
   ↓
快速重传
   ↓
快速恢复
   ↓
继续拥塞避免

现代 Linux 默认使用：

作为拥塞控制算法。

十二、TCP 发送与接收缓冲区

Linux Socket 内部：

应用程序
    ↓
发送缓冲区
    ↓
TCP
    ↓
网络

接收端：

网络
    ↓
TCP
    ↓
接收缓冲区
    ↓
应用程序

查看缓冲区：

sysctl -a | grep tcp

或：

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem

示例：

4096 87380 6291456

表示：

最小值
默认值
最大值

十三、Linux 中 TCP 状态查看

查看连接：

ss -ant

或者：

netstat -ant

结果：

ESTAB
LISTEN
TIME_WAIT
CLOSE_WAIT

查看 TCP 统计：

ss -s

输出：

TCP:
estab 15
closed 200
timewait 20

十四、面试高频问题

TCP 为什么可靠？

答：

TCP 为什么比 UDP 慢？

因为 TCP 需要：

额外开销较大。

滑动窗口有什么作用？

提高吞吐量。

允许：

连续发送多个数据包

而不必等待每个 ACK。

流量控制与拥塞控制区别？

流量控制：

发送方 ↔ 接收方

关注：

接收能力

拥塞控制：

发送方 ↔ 网络

关注：

网络承载能力

总结

TCP 之所以能够成为互联网最重要的传输协议，核心原因在于其完善的可靠传输机制：

  1. 序列号保证数据有序。
  2. ACK 保证数据已收到。
  3. 超时重传解决丢包问题。
  4. 快速重传减少等待时间。
  5. 滑动窗口提高传输效率。
  6. 流量控制保护接收端。
  7. 拥塞控制保护整个网络。

理解这些机制后，再学习 Linux Socket 编程中的 send()、recv()、epoll()、高并发服务器设计时，会更容易理解 TCP 在内核中的工作原理。

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