TCP 协议
TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。TCP 解决了数据传输的可靠性、顺序性、流量控制、拥塞控制等问题。
TCP 头部格式
源端口和目的端口
16 位，标识发送方和接收方的进程。端口号范围：0-65535，0-1023 为知名端口（如 HTTP 80、HTTPS 443）。
序列号
32 位，标识 TCP 段中第一个字节的序号。序列号是循环使用的，达到 2^32-1 后从 0 开始。
确认号
32 位，期望收到的下一个字节的序号。确认号是累积确认，表示之前的字节都已正确接收。
数据偏移
4 位，TCP 头部的长度，以 4 字节为单位。最小值 5（20 字节），最大值 15（60 字节）。
标志位
URG（紧急指针有效）、ACK（确认号有效）、PSH（推送）、RST（重置连接）、SYN（同步序列号）、FIN（结束连接）。
窗口大小
16 位，接收窗口的大小，用于流量控制。窗口大小最大 65535 字节，通过窗口扩大选项可以扩大到 1GB。
校验和
16 位，检验 TCP 头部和数据的完整性。发送方计算校验和，接收方验证校验和。
紧急指针
16 位，指向紧急数据的最后一个字节。紧急数据需要优先处理。
选项
选项字段可变长，常见选项：MSS（最大段大小）、窗口扩大、时间戳、SACK（选择性确认）。
TCP 连接建立
三次握手
第一次握手：客户端发送 SYN，seq = x。客户端进入 SYN_SENT 状态。
第二次握手：服务端回复 SYN+ACK，seq = y，ack = x + 1。服务端进入 SYN_RCVD 状态。
第三次握手：客户端回复 ACK，seq = x + 1，ack = y + 1。双方进入 ESTABLISHED 状态。
为什么需要三次握手
防止失效的连接请求报文段突然又传送到服务端，产生错误。
客户端的发送连接请求报文段丢失，客户端重传连接请求报文段，连接建立后数据传输完毕，连接释放。第一个丢失的连接请求报文段延迟到达，服务端误认为新的连接请求，发送确认报文段，进入 ESTABLISHED 状态，等待客户端数据，浪费资源。
三次握手可以确认双方的接收和发送能力都正常，同步双方的初始序列号。
SYN 攻击
SYN 攻击是攻击者发送大量 SYN 报文段，不完成三次握手，占用服务端的半连接队列，导致服务端无法处理正常连接。
防御措施：SYN Cookies（不保存半连接状态，根据 SYN 计算 Cookie）、缩短超时时间、增加半连接队列大小、开启 tcp_syncookies。
TCP 连接终止
四次挥手
第一次挥手：主动方发送 FIN，seq = u。主动方进入 FIN_WAIT_1 状态。
第二次挥手：被动方回复 ACK，ack = u + 1。被动方进入 CLOSE_WAIT 状态。主动方收到 ACK 后进入 FIN_WAIT_2 状态。
第三次挥手：被动方发送 FIN，seq = w，ack = u + 1。被动方进入 LAST_ACK 状态。
第四次挥手：主动方回复 ACK，seq = u + 1，ack = w + 1。主动方进入 TIME_WAIT 状态，等待 2MSL 后进入 CLOSED 状态。被动方收到 ACK 后进入 CLOSED 状态。
为什么需要四次挥手
TCP 是全双工协议，双方都可以发送数据。主动方关闭发送通道，但可能还在接收数据。被动方可能还有数据要发送，需要确认数据发送完毕后再关闭发送通道。
TIME_WAIT 状态
TIME_WAIT 状态持续 2MSL，约 60 秒。作用：确保最后的 ACK 能够到达被动方，如果 ACK 丢失，被动方会重传 FIN，主动方可以重发 ACK。确保旧连接的报文段在网络中消失，不影响新连接。
TIME_WAIT 状态的问题：占用端口资源，高并发短连接场景下端口可能耗尽。解决方案：开启 tcp_tw_reuse、tcp_tw_recycle（Linux 4.12 已移除）、增加端口范围。
TCP 可靠传输
序列号
序列号标识 TCP 段中第一个字节的序号，用于数据排序、去重、流量控制。
序列号是随机生成的，防止序列号猜测攻击。
确认应答
接收方收到数据后发送 ACK，确认号是期望收到的下一个字节的序号。ACK 是累积确认，表示之前的字节都已正确接收。
超时重传
发送方发送数据后启动定时器，如果超时未收到 ACK，则重传数据。超时时间根据 RTT（Round Trip Time，往返时间）动态调整，RTT 变化大时超时时间也变化大。
快速重传
接收方收到失序报文段后立即发送重复 ACK，发送方收到 3 个重复 ACK 后立即重传报文段，不必等待超时。
选择性确认
SACK（Selective ACK）允许接收方告诉发送方哪些报文段已正确接收，哪些报文段丢失，发送方只需重传丢失的报文段，提高效率。
TCP 流量控制
滑动窗口
接收方通过窗口大小告诉发送方自己可以接收多少数据，发送方根据窗口大小调整发送速率，避免淹没接收方。
窗口大小是接收缓冲区的剩余空间，接收方处理数据后窗口增大，接收方缓冲区满时窗口为 0。
零窗口问题
接收方窗口为 0 时，发送方停止发送数据，定期发送零窗口探测报文段，询问窗口是否打开。
接收方窗口打开后发送 ACK，通知发送方可以继续发送数据。
TCP 拥塞控制
慢启动
连接建立后，拥塞窗口从 1 个 MSS 开始，每收到一个 ACK，拥塞窗口增加 1 个 MSS，指数增长。慢启动阈值（ssthresh）是慢启动和拥塞避免的分界线，拥塞窗口超过 ssthresh 后进入拥塞避免。
拥塞避免
拥塞窗口每 RTT 增加 1 个 MSS，线性增长，避免拥塞。
快速重传
收到 3 个重复 ACK 后，立即重传报文段，不必等待超时。
快速恢复
快速重传后，不进入慢启动，而是将拥塞窗口设置为 ssthresh 的一半，进入拥塞避免。
TCP 是互联网的核心协议，理解 TCP 的连接建立、连接终止、可靠传输、流量控制、拥塞控制，有助于理解网络编程的底层原理。