TCP协议：报文段格式、连接管理、可靠传输、流量控制与拥塞控制。
5.3 TCP协议
5.3.1 TCP报文段
TCP特点
- 面向连接：使用前需建立连接，使用后释放连接。
- 点对点：每条TCP连接只能有两个端点（一对一）。
- 可靠交付：无差错、不丢失、不重复，按序到达。
- 全双工通信：双方可随时发送数据，设有发送缓存和接收缓存。
- 面向字节流：将应用程序数据视为无结构的字节流，TCP根据窗口和拥塞程度决定报文段长度。
TCP首部格式（最小20字节）
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| 源端口 | 2B | 发送方端口 |
| 目的端口 | 2B | 接收方端口 |
| 序号 | 4B | 本报文段第一个数据字节的序号 |
| 确认号 | 4B | 期望收到下一个报文段的第一个字节序号，表示之前数据已收到 |
| 数据偏移 | 4位 | 首部长度，单位4B |
| 保留 | 6位 | 置0 |
| URG | 1位 | 紧急指针有效 |
| ACK | 1位 | 确认号有效（连接建立后全为1） |
| PSH | 1位 | 推送，尽快交付应用 |
| RST | 1位 | 复位，释放连接 |
| SYN | 1位 | 同步，连接请求/接受标志 |
| FIN | 1位 | 终止，释放连接 |
| 窗口 | 2B | 接收窗口大小（rwnd） |
| 校验和 | 2B | 覆盖首部和数据，计算含伪首部（协议=6） |
| 紧急指针 | 2B | URG=1时有效，指示紧急数据字节数 |
| 选项 | 可变 | 如MSS、窗口扩大、时间戳、SACK等 |
| 填充 | 可变 | 使首部为4B倍数 |
例题（2009年38题）
甲发送两个TCP段，分别含300B和500B，第一段序号200。乙正确接收后，确认号 = 200+300+500 = 1000。选D。
5.3.2 TCP连接管理
连接建立（三报文握手）
- 客户发送SYN=1，seq=x（初始序号），进入SYN-SENT。
- 服务器回复SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1，进入SYN-RCVD。
- 客户发送ACK=1，seq=x+1，ack=y+1，进入ESTABLISHED。服务器收到后也进入ESTABLISHED。
特点：服务器资源在第二次握手后分配，易受SYN洪泛攻击。采用三次握手可防止已失效的连接请求报文段再次建立连接。
连接释放（四报文握手）
- 主动方发送FIN=1，seq=u，进入FIN-WAIT-1。
- 被动方回复ACK=1，seq=v，ack=u+1，进入CLOSE-WAIT（半关闭状态）。
- 主动方收到后进入FIN-WAIT-2。
- 被动方发送FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1，进入LAST-ACK。
- 主动方回复ACK=1，seq=u+1，ack=w+1，进入TIME-WAIT，等待2MSL后关闭。
- 被动方收到后进入CLOSED。
2MSL作用：保证最后一个ACK到达对方；防止旧连接报文段出现在新连接中。
保活计时器：防止客户端故障导致服务器长时间等待。
例题（2011年39题）
甲发送SYN=1,seq=11220，乙同意连接应回复SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=11221。选项C中seq=11221,ack=11221正确。选C。
例题（2021年38题）
客户先发FIN，收到服务器的FIN并发送ACK后，客户进入TIME_WAIT。选B。
5.3.3 TCP可靠传输
- 校验：与UDP类似，伪首部协议字段为6。
- 序号：每个字节编号，序号字段指示第一个字节序号。
- 确认：累计确认，确认号表示期望收到的下一个字节序号。
- 重传：
- 超时重传：RTO基于RTT动态计算（Karn算法修正）。
- RTTs = (1-α)×旧RTTs + α×新RTT样本 (α=1/8)
- RTTD = (1-β)×旧RTTD + β×|RTTs - 新RTT样本| (β=1/4)
- RTO = RTTs + 4×RTTD
- Karn算法：重传时不更新RTT，每次重传RTO加倍。
- 快速重传：收到3个冗余ACK后立即重传丢失报文段（无需等待超时）。
- 超时重传：RTO基于RTT动态计算（Karn算法修正）。
5.3.4 TCP流量控制
- 基于滑动窗口，发送窗口 = min(rwnd, cwnd)。
- rwnd（接收窗口）由接收方通告，反映接收缓存容量。
- 持续计时器：收到零窗口时启动，到期后发送探测报文。
5.3.5 TCP拥塞控制
基本概念
- cwnd（拥塞窗口）：发送方根据网络状况动态调整。
- ssthresh（慢开始门限）：切换慢开始与拥塞避免的阈值。
- 发送窗口 = min(rwnd, cwnd)（此处假设rwnd足够大）。
四种算法
- 慢开始：初始cwnd=1，每收到一个ACK，cwnd加1（每RTT翻倍），直至cwnd ≥ ssthresh。
- 拥塞避免：每经过一个RTT，cwnd加1（线性增长）。
- 快重传：收到3个冗余ACK时立即重传丢失报文段（不等待超时）。
- 快恢复：快重传后将ssthresh设为cwnd/2，cwnd设为ssthresh（而非1），然后进入拥塞避免。
拥塞判断与处理
- 超时：ssthresh = cwnd/2，cwnd=1，重新慢开始。
- 收到3个冗余ACK（快重传）：ssthresh = cwnd/2，cwnd = ssthresh，进入拥塞避免（快恢复）。
例题（2015年39题）
甲初始ssthresh=32KB，乙接收缓存16KB（即rwnd=16KB），初始cwnd=1KB。慢开始：1→2→4→8→16（4个RTT后达到16KB）。但发送窗口受rwnd限制，故窗口为16KB。选C。
例题（2017年39题）
MSS=1KB，RTT=5ms，rwnd=64KB。从1KB增长到32KB需慢开始：1→2→4→8→16→32，共5个RTT，时间5×5=25ms。选A。
例题（2020年38题）
拥塞窗口从8KB到32KB，若使用拥塞避免（线性增长），需24KB增长，每RTT增加1KB，需24RTT=48ms。选D。
例题（2009年39题）
超时时cwnd=16KB，ssthresh=8KB，cwnd重置1。慢开始：1→2→4→8（第1个RTT后为8，达到ssthresh），之后拥塞避免：9→10→11→12（第4个RTT后为12KB）。但选项无12，可能题目答案按另一种理解：第4个RTT后已发送完的确认使窗口增加？常见答案为9KB？原题解析常为：超时后ssthresh=8，cwnd=1；RTT1:1→2；RTT2:2→4；RTT3:4→8；RTT4:8+1=9。选C。
例题（2014年38题）
超时时cwnd=8，ssthresh=4，cwnd重置1。慢开始：1→2→4（达到ssthresh），拥塞避免：5→6→7→8→9→10→11→12→13→14（10个RTT后为14KB）。但接收窗口为10KB，故发送窗口=min(14,10)=10KB。选A。
习题精选
（2021年39题） UDP数据报12B数据+8B首部，效率12/20=60%；TCP段12B数据+20B首部，效率12/32=37.5%。选D。
（2013年39题） 收到序号1913、有效载荷100B，表示收到1913~2012，确认号应为2013；而确认号为2046，说明对方期望2046，故甲立即发送序号=2046，确认号=2013？不，甲发送的序号应是对方期待的下一个序号？仔细分析：甲收到乙的段，乙的序号1913，确认号2046，表示乙已收到甲发送到2045的数据，并期待甲发2046。甲现在要回复，应将自己的序号设为2046（因为甲之前可能已发送到2045），确认号应为乙的下一个期望序号，即1913+100=2013。所以选B？选项B是2046,2013，正确。选B。
（2019年39题） 第三次握手ACK确认号 = 对方初始序号+1 = 2046+1=2047。选D。
（2020年39题） SYN序号1000，FIN序号5001。中间发送的字节数 = (5001-1000) - 1（SYN占1）+ 1（FIN占1）= 4001？实际上FIN消耗一个序号，但发送的数据字节数 = (5001-1000)-1 = 4000。选C。
（2021年38题） 客户先发FIN，收到服务器FIN并发送ACK后，进入TIME_WAIT。选B。
（2010年39题） cwnd=4000，发送两个1000B段后，收到第一个段确认，接收窗口2000。此时已发送未确认：第二个段1000B，加上刚确认的段释放空间？具体计算：发送窗口=min(rwnd, cwnd)=2000，已发送未确认=1000，还可发送2000-1000=1000。选A。
（2019年38题） 快速重传条件：收到3个冗余ACK。图中在t3时刻收到第三个重复ACK，所以此时重传。选C。
（2021年40题） 甲发送seq=501，200B，收到确认ack=501，rwnd=500。此时甲已发数据到700（501
700），未确认，窗口500，还可发送到700+500=1200，即序号7011200。但选项中只有C:701~1000符合。选C。
笔记结束