2.2.3 TCP协议（连接管理、可靠性、流控与拥塞控制）

TCP（Transmission Control Protocol）是面向连接、可靠传输、基于字节流的传输层协议，适用于需要顺序、完整交付的数据通信。其核心机制包含连接管理、可靠性保障、流量控制与拥塞控制。以下结合原理草图、命令示例、排错与练习。

原理草图：连接管理与状态流转

连接管理
- 三次握手：SYN → SYN+ACK → ACK，确认双方初始序列号（ISN），建立连接。
- 四次挥手：FIN/ACK 分离，主动关闭方进入 TIME_WAIT，避免旧报文影响新连接。
- 半连接与全连接队列：SYN 进入半连接队列，握手完成进入全连接队列；backlog 与 somaxconn 共同影响。
- 常见状态：LISTEN、SYN_SENT、SYN_RECV、ESTABLISHED、FIN_WAIT1/2、CLOSE_WAIT、LAST_ACK、TIME_WAIT。

可靠性机制
- 序列号与确认号：每个字节有序列号，ACK 确认连续接收。
- 重传机制：RTO 超时重传与快速重传（3 个重复 ACK）。
- 校验和：检测传输中的位错误。
- 有序交付与去重：乱序缓存重组，重复段丢弃。

流量控制
- 滑动窗口：接收端通告窗口（rwnd）限制发送速率。
- 零窗口与探测：窗口为 0 时暂停发送，定期探测恢复。

拥塞控制
- 慢启动：cwnd 指数增长探测可用带宽。
- 拥塞避免：达到 ssthresh 后线性增长。
- 快速重传/恢复：减少丢包恢复时间。
- ECN（可选）：显式拥塞通知辅助判断拥塞。

关键命令示例（连接状态、队列与重传）

# 1) 查看 TCP 连接与状态
ss -antp

# 2) 按状态统计连接数
ss -ant | awk 'NR>1 {state[$1]++} END {for (s in state) print s, state[s]}'

# 3) 查看监听队列与backlog（含半连接）
ss -lnt

# 4) 查看内核 TCP 关键参数
sysctl net.core.somaxconn
sysctl net.ipv4.tcp_max_syn_backlog
sysctl net.ipv4.tcp_fin_timeout
sysctl net.ipv4.tcp_tw_reuse

# 5) 临时调整参数（立即生效，重启失效）
sudo sysctl -w net.core.somaxconn=4096
sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_max_syn_backlog=8192

# 6) 抓包观察握手与挥手（替换网卡与端口）
sudo tcpdump -i eth0 'tcp port 80 and (tcp[tcpflags] & (tcp-syn|tcp-fin|tcp-ack) != 0)' -n

示例：搭建一个本地 TCP 测试服务并观察连接

# 1) 启动一个简单 TCP 服务（占用 8080）
sudo nc -l -p 8080

# 2) 另开终端发起连接
nc 127.0.0.1 8080

# 3) 查看握手后的连接状态
ss -antp | grep 8080

# 4) 退出客户端，观察服务端的 CLOSE_WAIT / LAST_ACK
# 客户端退出后服务端等待应用关闭连接

排错与定位要点
- SYN_RECV 过多：半连接队列积压，检查 tcp_max_syn_backlog，并关注 SYN Flood。
- TIME_WAIT 堆积：短连接过多导致端口耗尽，检查应用连接复用与 tcp_fin_timeout。
- CLOSE_WAIT 增多：应用未及时关闭 socket，需检查程序逻辑。
- 重传率升高：链路质量差或拥塞，结合 ss -i 与抓包确认。

# 查看单个连接的重传与窗口信息
ss -i dst 127.0.0.1 dport = :8080

练习
1. 用 nc 启动服务，分别在客户端正常退出与异常断开（强杀进程），观察服务端状态变化。
2. 设置 net.ipv4.tcp_fin_timeout 为 15，观察 TIME_WAIT 持续时间变化。
3. 通过 tc qdisc 模拟丢包（需 root），观察 ss -i 中的重传变化：

# 添加 5% 丢包（测试结束后记得删除）
sudo tc qdisc add dev eth0 root netem loss 5%
# 查看连接重传情况
ss -i dst 1.1.1.1
# 删除丢包规则
sudo tc qdisc del dev eth0 root