TCP/IP协议栈学习笔记

2026-06-26 · 分类：TCP/IP

TCP/IP 协议栈是互联网通信的基石。本文整理 TCP/IP 四层模型与 OSI 七层模型的对应关系，重点记录 TCP 的三次握手、四次挥手以及滑动窗口、拥塞控制等核心机制，是理解网络通信的基础。

一、TCP/IP四层模型与OSI七层模型

两种模型的对应关系：

• 应用层（TCP/IP）对应 OSI 应用层、表示层、会话层：HTTP、DNS、SSH、FTP
• 传输层（TCP/IP）对应 OSI 传输层：TCP、UDP
• 网络层（TCP/IP）对应 OSI 网络层：IP、ICMP、ARP
• 网络接口层（TCP/IP）对应 OSI 数据链路层、物理层：以太网、Wi-Fi

TCP/IP 模型更贴近实际实现，OSI 模型更适合教学分层。

二、TCP与UDP对比

• TCP：面向连接、可靠传输、有序、字节流、有流量控制与拥塞控制。适用于 HTTP、SSH、邮件等要求可靠性的场景。
• UDP：无连接、不可靠、数据报、无流量控制。适用于 DNS、视频流、游戏等追求低延迟、可容忍少量丢包的场景。

三、TCP三次握手

TCP 建立连接需要三次握手：

• 第一次握手：客户端发送 SYN（seq=x）给服务器，进入 SYN_SENT 状态。
• 第二次握手：服务器收到 SYN，回复 SYN+ACK（seq=y, ack=x+1），进入 SYN_RCVD 状态。
• 第三次握手：客户端收到 SYN+ACK，回复 ACK（ack=y+1），双方进入 ESTABLISHED 状态。

为什么是三次而非两次？核心原因是确认"双方都能收发"。两次握手无法防止历史失效的 SYN 报文导致服务器误建立连接。

使用 ss 查看连接状态：

# 查看所有 TCP 连接
ss -tan

# 查看指定端口连接状态统计
ss -tan | awk '{print $1}' | sort | uniq -c

四、TCP四次挥手

TCP 断开连接需要四次挥手：

• 第一次挥手：主动方发送 FIN，进入 FIN_WAIT_1。
• 第二次挥手：被动方收到 FIN，回复 ACK，进入 CLOSE_WAIT；主动方进入 FIN_WAIT_2。
• 第三次挥手：被动方发送 FIN，进入 LAST_ACK。
• 第四次挥手：主动方收到 FIN，回复 ACK，进入 TIME_WAIT；被动方进入 CLOSED。主动方等待 2MSL 后关闭。

TIME_WAIT 状态持续 2MSL（通常 60 秒），目的是确保被动方收到最后的 ACK，并让本次连接的报文在网络中消亡。

五、滑动窗口

滑动窗口是 TCP 流量控制的核心机制。接收方通过 ACK 报文中的窗口大小（rwnd）告知发送方自己能接收的数据量，发送方据此调整发送速度，避免压垮接收方。

• 窗口越大，吞吐量越高
• 窗口为 0 时，发送方暂停发送，定期发送窗口探测报文
• 窗口大小由接收缓冲区剩余空间决定

六、拥塞控制

流量控制解决"接收方处理不了"，拥塞控制解决"网络处理不了"。主流算法：

• 慢启动：cwnd 从 1 开始指数增长，达到 ssthresh 后进入拥塞避免
• 拥塞避免：cwnd 线性增长，每个 RTT 增加 1
• 快重传：连续收到 3 个重复 ACK 立即重传丢失报文，不等待超时
• 快恢复：ssthresh 设为当前 cwnd 一半，cwnd 设为 ssthresh，进入拥塞避免

查看与调整拥塞控制算法：

# 查看当前算法
sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control

# 查看可用算法
sysctl net.ipv4.tcp_available_congestion_control

# 启用 BBR（适用于高带宽延迟网络）
sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_congestion_control=bbr

小结

TCP/IP 协议栈的核心在于分层设计与可靠传输机制。理解三次握手、四次挥手是排查连接问题的基础；滑动窗口与拥塞控制解释了 TCP 如何在不稳定的网络中实现高吞吐与公平性。日常运维中，ss、tcpdump、sysctl 是诊断 TCP 问题的常用工具。