TCP 協定核心機制全解析：可靠傳輸、連線管理與擁塞控制

TCP 可靠傳輸基石

TCP 透過多重機制確保資料可靠交付：

• 資料分塊：應用層資料流切分為適當大小的段 (Segment)
• 確認重傳：發送後啟動計時器，超時未收到 ACK 則重傳
• 延遲確認：接收端延遲數分之一秒發送 ACK，提高效率
• 端到端檢驗和：涵蓋標頭與資料，錯誤則丟棄不確認
• 排序與去重：序號機制確保順序交付並丟棄重複資料
• 流量控制：滑動視窗機制防止快速發送端淹沒緩慢接收端

TCP 標頭結構詳解

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          來源埠號         |          目的埠號         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        序號 (Sequence Number)                       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                      確認號 (Acknowledgment Number)                     |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  資料位移 |保留|U|A|P|R|S|F|       視窗大小        |
|           |   |R|C|S|S|Y|I|                               |
|           |   |G|K|H|T|N|N|                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           檢驗和          |         緊急指標          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    選項 (Options)                       | 填充 |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         資料 (Data)                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

關鍵欄位深度解析

連線建立與終止：三次握手與四次揮手

三次握手建立連線

1. SYN=1, seq=x → 客戶主動開啟，進入 SYN_SENT
2. SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1 → 伺服器被動開啟，進入 SYN_RCVD
3. ACK=1, seq=x+1, ack=y+1 → 客戶確認，雙方進入 ESTABLISHED

注意：SYN 佔用一個序號，ISN (Initial Sequence Number) 需隨機產生以防舊連線干擾。

四次揮手終止連線

1. FIN=1, seq=u → 主動關閉方結束發送，進入 FIN_WAIT_1
2. ACK=1, ack=u+1 → 被動方確認，進入 CLOSE_WAIT
3. FIN=1, seq=v → 被動方結束發送，進入 LAST_ACK
4. ACK=1, ack=v+1 → 主動方確認，進入 TIME_WAIT (2MSL)

關鍵狀態機制

• TIME_WAIT (2MSL)：確保最後 ACK 到達，防止舊連線封包干擾新連線
• 靜默時間：重啟後 MSL 秒內不建立新連線
• 半關閉：單向關閉仍可接收資料
• 同時開啟/關閉：罕見但需處理，同時開啟交換 4 個段

TCP 超時重傳與擁塞控制

四大計時器

1. 重傳計時器：等待 ACK
2. 持久計時器：視窗為 0 時週期性探查
3. 保活計時器：空閒 2 小時發送探測，預設 10 次、間隔 75 秒
4. 2MSL 計時器：測量 TIME_WAIT 狀態持續時間

RTT 測量與 RTO 計算

採指數加權移動平均 (EWMA) 追蹤 RTT 變化：

SRTT = (1-α) * SRTT + α * RTT_sample
RTTVAR = (1-β) * RTTVAR + β * |SRTT - RTT_sample|
RTO = SRTT + 4 * RTTVAR

擁塞控制四大演算法

ICMP 錯誤處理

• Source Quench：觸發慢啟動 (cwnd=1)，ssthresh 不變
• Host/Net Unreachable：視為暫時性，繼續重傳直到超時

進階效能優化

• 路徑 MTU 發現：設 DF bit，收到 ICMP "Fragmentation Needed" 調整 MSS
• 長肥管道 (LFN)：容量 = 頻寬 × RTT，需視窗擴大選項支援
• 視窗擴大選項：將 16-bit 視窗擴展至 32-bit (scale factor)
• 時間戳選項：精確測量 RTT，支援 PAWS (防止序號回繞)