前言
TCP，最近手里项目又重新涉及到了关于以太网的通信，但对其的了解已经过去了好几年，所以，今天博主将对其重新回忆回忆，尽可能地将比较深入的知识点提取起来。因为在之前的文章中是有详细讲解过关于TCP的三次握手、四次挥手以及相关的报文分析和工具。感兴趣的朋友可以参考下历史文章：
1、OSI七层模型和TCP/IP四层模型介绍
2、OSI七层模型和TCP/IP四层模型形象实例
3、TCP协议工作原理详细介绍（形象举例版）
4、TCP协议工作原理详细介绍（具体参数版）
一、TCP的拥塞控制算法
拥塞控制是TCP最核心、最复杂的部分之一，目的是防止发送方过多地发送数据，导致网络链路（路由器、交换机）缓冲区溢出，进而引发丢包和延迟增加。TCP通过一系列算法动态调整发送速率。
1.1、核心思想
1.1.1、慢启动（SlowStart）
连接建立初期或超时重传后，发送方以较低的速率开始，然后指数级地增加发送速率（通常每次成功收到Ack，拥塞窗口cwnd增加1个MSS），直到达到一个阈值（慢启动阈值ssthresh）或检测到丢包。
1.1.2、拥塞避免（Congestion Avoidance）
当cwdd超过ssthresh后，进入拥塞避免阶段。此时，发送速率不再指数增长，而是线性增长（通常每收到一个完整的窗口的ACK，cwdd增加1/cwdd个MSS）。这更加保守地探测网络容量。
1.1.3、快速重传（FastRetransmit）&快速恢复（FastRecovery）
当发送方收到连续三个重复的ACK（表明接收方收到了一个失序的数据包），它认为网络可能发生了轻微拥塞（丢了一包，但后续包已到达接收方）。此时，不等待RTO超时，立即重传丢失的那个包（快速重传）。这快速恢复阶段会适度降低cwdd（通常设为ssthresh的值或ssthresh + 3*dupACK），并进入拥塞避免阶段，而不是回到慢启动。这比超时重传更高效。
1.2、主要算法演变
1.2.1、Reno
经典算法，包含慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复。快速恢复后回到拥塞避免。
1.2.2、NewReno
对Reno的改进，处理多个包丢失的情况更加有效。在快速恢复阶段，如果仍收到重复ACK，会继续重传。
1.2.3、Cubic
由腾讯提出，是目前互联网上非常主流的算法。它假设网络带宽随时间变化呈立方关系，试图在网络拥塞时快速恢复带宽，并在高带宽长延迟网络下表现更好。
1.2.4、BBR
由Google提出，思路与前述基于丢包的算法不同。BRR试图直接测量带宽和瓶颈带宽处的往返延时，并据此调整发送速率，避免缓冲区填充，旨在最大化利用可用带宽同时最小化延迟。它在高带宽丢包网络中的表现优异。
1.3、挑战
不同TCP实现可能使用不同的拥塞控制算法，这可能导致“不公平性”（某些连接占用过多的带宽）。此外，现代网络环境（WIFI、移动网络）的动态性也给拥塞控制带来了新的挑战。
二、TCP选项字段
TCP头部有一个选项字段，长度可变，最多40个字节（因为TCP头部固定20字节，总长度为20字节+选项）。这个字段用于协商和传递各种额外的控制信息。
2.1、常见的TCP选项
2.1.1、MSS (Maximum Segment Size)
最大分段大小。在三次握手时交换，告知对方自己能够接收的最大TCP分段数据量（不包括TCP头部和IP头部）。这有助于避免IP分片，提高效率。通常受MTU（链路最大传输单元）限制，减去IP和TCP头部长度。
2.1.2、Window Scale(窗口缩放)
由于TCP头部窗口字段只有16位，最大只能表示65535字节。对于高带宽长延迟网络，这个窗口太小。窗口缩放选项允许双方协商一个移位因子，将实际的窗口大小左移该因子位，从而支持更大的窗口（可达1GB）.
2.1.3、Timestamps(时间戳)
包含两个字段：发送方的时间戳值和回显的时间戳回显请求。主要用于计算RTT（往返时间）的更精确估计，以及帮助处理包失序和重复包。在快速重传和快速恢复中也有用。
2.1.4、SACK(Selective Acknowledgment)
选择性确认。允许接收方通知发送方哪些数据块已经成功接收，而不是只能确认最后一个连续接收到的字节。这大大提高了在乱序和丢包情况下的传输速率，因为发送方可以只重传丢失的包，而不是重传丢失包之后的所有包。
2.1.5、NOP(No-Operation)
无操作。通常用于填充或对齐选项字段，使其长度为4字节的倍数。
2.2、作用
这些选项极大地增强了TCP的功能和适应性，使其能够更高地应对不同的网络环境和应用需求。
三、TCP异常处理
TCP虽然设计为可靠的协议，但在复杂的网络环境中，各种异常情况仍会频繁发生。TCP需要优雅地处理这些异常，以保证连续的稳定性和数据的最终可靠传输。
3.1、常见的异常及处理
3.1.1、丢包
3.1.1.1、发送方丢包
发送方超时（没有收到ACK）或收到重复ACK，触发重传机制（快速重传或超时重传），并调整拥塞窗口（通常是快速重传降低cwnd，超时重传将cwnd和ssthresh大幅降低）。
3.1.1.2、接收方丢包
接收方处理正常，只是没有收到数据包。它发送的ACK会反映出序情况，发送方据此进行重传。
3.1.2、乱序到达
接收方缓存乱序的数据包，等待缺失的包到达后，按序提交给上层应用。SACK选项可以更高效地处理乱序。
3.1.3、重复包
可能由重传机制或网络环路引起。接收方通过序列号识别重复包，丢弃它们，但通常会发送最新的ACK。
3.1.4、超时重传
当发送方发送数据后，启动一个重传计数器（RTO）。如果在RTO时间内没有收到相应的ACK，就认为数据包丢失，触发超时重传。RTO的值会根据网络状况动态调整，以尽可能准确反映当前RTT。
3.1.5、连接异常中断
3.1.5.1、主动关闭方
进入FIN_WAIT_1，FIN_WAIT_2，TIME_WAIT状态。TIME_WAIT状态持续2*MSL（最大段生存时间），确保最后发出的FIN/ACK能够被对方收到，并防止旧连接的报文干扰新连接。
3.1.5.2、被动关闭方
进入CLOSE_WAIT，LAST_ACK状态。
3.1.5.3、一方崩溃
另一方可能因为长时间没有收到任何数据或ACK而超时关闭连接。
3.1.5.4、网络攻击
双方可能因为长时间无法通信而超时关闭。
3.1.6、SYN洪泛攻击
攻击者大量发送伪造源IP的SYN包，使服务器资源耗尽在等待完成三次握手。防御措施包括SYN Cookie、增加半连接队列大小、速率限制等。
3.1.7、RST包
重置包，用于强制关闭连接或拒绝非法连接请求。收到RST包的一方会立即关闭连接。
3.1.8、保活机制
长时间无数据交互时，发送方定期发送探测包，检测连接是否存活。
3.2、处理原则
TCP通过序列号、确认号、计时器、重传机制、状态机转换等一系列复杂的设计，来检测、诊断并恢复这些异常，尽力保证数据的可靠传输和连接的稳定关闭。