TCP 是互聯網核心協議之一，本文介紹它的基礎知識。

一、TCP 協議的作用

互聯網由一整套協議構成。TCP 只是其中的一層，有著自己的分工。

（圖片說明：TCP 是以太網協議和 IP 協議的上層協議，也是應用層協議的下層協議。）

最底層的以太網協議（Ethernet）規定了電子信號如何組成數據包（packet），解決了子網內部的點對點通信。

（圖片說明：以太網協議解決了局域網的點對點通信。）

但是，以太網協議不能解決多個局域網如何互通，這由 IP 協議解決。

（圖片說明：IP 協議可以連接多個局域網。）

IP 協議定義了一套自己的地址規則，稱為 IP 地址。它實現了路由功能，允許某個局域網的 A 主機，向另一個局域網的 B 主機發送消息。

（圖片說明：路由器就是基于 IP 協議。局域網之間要靠路由器連接。）

路由的原理很簡單。市場上所有的路由器，背后都有很多網口，要接入多根網線。路由器內部有一張路由表，規定了 A 段 IP 地址走出口一，B 段地址走出口二，。..。..通過這套“指路牌”，實現了數據包的轉發。

（圖片說明：本機的路由表注明了不同 IP 目的地的數據包，要發送到哪一個網口（interface）。）

IP 協議只是一個地址協議，并不保證數據包的完整。如果路由器丟包（比如緩存滿了，新進來的數據包就會丟失），就需要發現丟了哪一個包，以及如何重新發送這個包。這就要依靠 TCP 協議。

簡單說，TCP 協議的作用是，保證數據通信的完整性和可靠性，防止丟包。

二、TCP 數據包的大小

以太網數據包（packet）的大小是固定的，最初是1518字節，后來增加到1522字節。其中， 1500 字節是負載（payload），22字節是頭信息（head）。

IP 數據包在以太網數據包的負載里面，它也有自己的頭信息，最少需要20字節，所以 IP 數據包的負載最多為1480字節。

（圖片說明：IP 數據包在以太網數據包里面，TCP 數據包在 IP 數據包里面。）

TCP 數據包在 IP 數據包的負載里面。它的頭信息最少也需要20字節，因此 TCP 數據包的最大負載是 1480 - 20 = 1460 字節。由于 IP 和 TCP 協議往往有額外的頭信息，所以 TCP 負載實際為1400字節左右。

因此，一條1500字節的信息需要兩個 TCP 數據包。HTTP/2 協議的一大改進， 就是壓縮 HTTP 協議的頭信息，使得一個 HTTP 請求可以放在一個 TCP 數據包里面，而不是分成多個，這樣就提高了速度。

（圖片說明：以太網數據包的負載是1500字節，TCP 數據包的負載在1400字節左右。）

三、TCP 數據包的編號（SEQ）

一個包1400字節，那么一次性發送大量數據，就必須分成多個包。比如，一個 10MB 的文件，需要發送7100多個包。

發送的時候，TCP 協議為每個包編號（sequence number，簡稱 SEQ），以便接收的一方按照順序還原。萬一發生丟包，也可以知道丟失的是哪一個包。

第一個包的編號是一個隨機數。為了便于理解，這里就把它稱為1號包。假定這個包的負載長度是100字節，那么可以推算出下一個包的編號應該是101。這就是說，每個數據包都可以得到兩個編號：自身的編號，以及下一個包的編號。接收方由此知道，應該按照什么順序將它們還原成原始文件。

（圖片說明：當前包的編號是45943，下一個數據包的編號是46183，由此可知，這個包的負載是240字節。）

四、TCP 數據包的組裝

收到 TCP 數據包以后，組裝還原是操作系統完成的。應用程序不會直接處理 TCP 數據包。

對于應用程序來說，不用關心數據通信的細節。除非線路異常，收到的總是完整的數據。應用程序需要的數據放在 TCP 數據包里面，有自己的格式（比如 HTTP 協議）。

TCP 并沒有提供任何機制，表示原始文件的大小，這由應用層的協議來規定。比如，HTTP 協議就有一個頭信息Content-Length，表示信息體的大小。對于操作系統來說，就是持續地接收 TCP 數據包，將它們按照順序組裝好，一個包都不少。

操作系統不會去處理 TCP 數據包里面的數據。一旦組裝好 TCP 數據包，就把它們轉交給應用程序。TCP 數據包里面有一個端口（port）參數，就是用來指定轉交給監聽該端口的應用程序。

（圖片說明：系統根據 TCP 數據包里面的端口，將組裝好的數據轉交給相應的應用程序。上圖中，21端口是 FTP 服務器，25端口是 SMTP 服務，80端口是 Web 服務器。）

應用程序收到組裝好的原始數據，以瀏覽器為例，就會根據 HTTP 協議的Content-Length字段正確讀出一段段的數據。這也意味著，一次 TCP 通信可以包括多個 HTTP 通信。

五、慢啟動和 ACK

服務器發送數據包，當然越快越好，最好一次性全發出去。但是，發得太快，就有可能丟包。帶寬小、路由器過熱、緩存溢出等許多因素都會導致丟包。線路不好的話，發得越快，丟得越多。

最理想的狀態是，在線路允許的情況下，達到最高速率。但是我們怎么知道，對方線路的理想速率是多少呢？答案就是慢慢試。

TCP 協議為了做到效率與可靠性的統一，設計了一個慢啟動（slow start）機制。開始的時候，發送得較慢，然后根據丟包的情況，調整速率：如果不丟包，就加快發送速度；如果丟包，就降低發送速度。

Linux 內核里面設定了（常量TCP_INIT_CWND），剛開始通信的時候，發送方一次性發送10個數據包，即“發送窗口”的大小為10。然后停下來，等待接收方的確認，再繼續發送。

默認情況下，接收方每收到兩個 TCP 數據包，就要發送一個確認消息。“確認”的英語是 acknowledgement，所以這個確認消息就簡稱 ACK。

ACK 攜帶兩個信息。

期待要收到下一個數據包的編號

接收方的接收窗口的剩余容量

發送方有了這兩個信息，再加上自己已經發出的數據包的最新編號，就會推測出接收方大概的接收速度，從而降低或增加發送速率。這被稱為“發送窗口”，這個窗口的大小是可變的。

（圖片說明：每個 ACK 都帶有下一個數據包的編號，以及接收窗口的剩余容量。雙方都會發送 ACK。）

注意，由于 TCP 通信是雙向的，所以雙方都需要發送 ACK。兩方的窗口大小，很可能是不一樣的。而且 ACK 只是很簡單的幾個字段，通常與數據合并在一個數據包里面發送。

（圖片說明：上圖一共4次通信。第一次通信，A 主機發給B 主機的數據包編號是1，長度是100字節，因此第二次通信 B 主機的 ACK 編號是 1 + 100 = 101，第三次通信 A 主機的數據包編號也是 101。同理，第二次通信 B 主機發給 A 主機的數據包編號是1，長度是200字節，因此第三次通信 A 主機的 ACK 是201，第四次通信 B 主機的數據包編號也是201。）

即使對于帶寬很大、線路很好的連接，TCP 也總是從10個數據包開始慢慢試，過了一段時間以后，才達到最高的傳輸速率。這就是 TCP 的慢啟動。

六、數據包的遺失處理

TCP 協議可以保證數據通信的完整性，這是怎么做到的？

前面說過，每一個數據包都帶有下一個數據包的編號。如果下一個數據包沒有收到，那么 ACK 的編號就不會發生變化。

舉例來說，現在收到了4號包，但是沒有收到5號包。ACK 就會記錄，期待收到5號包。過了一段時間，5號包收到了，那么下一輪 ACK 會更新編號。如果5號包還是沒收到，但是收到了6號包或7號包，那么 ACK 里面的編號不會變化，總是顯示5號包。這會導致大量重復內容的 ACK。

如果發送方發現收到三個連續的重復 ACK，或者超時了還沒有收到任何 ACK，就會確認丟包，即5號包遺失了，從而再次發送這個包。通過這種機制，TCP 保證了不會有數據包丟失。

（圖片說明：Host B 沒有收到100號數據包，會連續發出相同的 ACK，觸發 Host A 重發100號數據包。）

七、參考鏈接

Network protocols for programmers who know at least one programming language