你是一臺電腦，你的名字叫 A
經過《圖解 | 原來這就是網絡》這篇文章中的一番折騰，只要你知道另一位夥伴 B 的 IP 地址，且你們之間的網絡是通的，無論多遠，你都可以將一個數據包發送給你的夥伴 B
這就是物理層、數據鏈路層、網絡層這三層所做的事情。站在第四層的你，就可以不要臉地利用下三層所做的鋪墊，隨心所欲地發送數據，而不必擔心找不到對方了。
雖然你此時還什麼都沒幹，但你還是給自己這一層起了個響亮的名字，叫做傳輸層。你本以爲自己所在的第四層萬事大吉，啥事沒有，但很快問題就接踵而至。
問題來了
前三層協議只能把數據包從一個主機搬到另外一臺主機，但是，到了目的地以後，數據包具體交給哪個程序（進程）呢？
所以，你需要把通信的進程區分開來，於是就給每個進程分配一個數字編號，你給它起了一個響亮的名字：端口號。
然後你在要發送的數據包上，增加了傳輸層的頭部，源端口號與目標端口號。
OK，這樣你將原本主機到主機的通信，升級爲了進程和進程之間的通信。你沒有意識到，你不知不覺實現了 UDP 協議！（當然 UDP 協議中不光有源端口和目標端口，還有數據包長度和校驗值，我們暫且略過）就這樣，你用 UDP 協議無憂無慮地同 B 進行着通信，一直沒發生什麼問題。
但很快，你發現事情變得非常複雜......
丟包問題
由於網絡的不可靠，數據包可能在半路丟失，而 A 和 B 卻無法察覺。
對於丟包問題，只要解決兩個事就好了。第一個，A 怎麼知道包丟了？答案：讓 B 告訴 A第二個，丟了的包怎麼辦？答案：重傳於是你設計瞭如下方案，A 每發一個包，都必須收到來自 B 的確認（ACK），再發下一個，否則在一定時間內沒有收到確認，就重傳這個包。
你管它叫停止等待協議。只要按照這個協議來，雖然 A 無法保證 B 一定能收到包，但 A 能夠確認 B 是否收到了包，收不到就重試，盡最大努力讓這個通信過程變得可靠，於是你們現在的通信過程又有了一個新的特徵，可靠交付。
效率問題
停止等待雖然能解決問題，但是效率太低了，A 原本可以在發完第一個數據包之後立刻開始發第二個數據包，但由於停止等待協議，A 必須等數據包到達了 B ，且 B 的 ACK 包又回到了 A，纔可以繼續發第二個數據包，這效率慢得可不是一點兩點。於是你對這個過程進行了改進，採用流水線的方式，不再傻傻地等。
順序問題
但是網路是複雜的、不可靠的。有的時候 A 發出去的數據包，分別走了不同的路由到達 B，可能無法保證和發送數據包時一樣的順序。
在流水線中有多個數據包和ACK包在亂序流動，他們之間對應關係就亂掉了。難道還回到停止等待協議？A 每收到一個包的確認（ACK）再發下一個包，那就根本不存在順序問題。應該有更好的辦法！A 在發送的數據包中增加一個序號（seq），同時 B 要在 ACK 包上增加一個確認號（ack），這樣不但解決了停止等待協議的效率問題，也通過這樣標序號的方式解決了順序問題。
而 B 這個確認號意味深長：比如 B 發了一個確認號爲 ack = 3，它不僅僅表示 A 發送的序號爲 2 的包收到了，還表示 2 之前的數據包都收到了。這種方式叫累計確認或累計應答。
注意，實際上 ack 的號是收到的最後一個數據包的序號 seq + 1，也就是告訴對方下一個應該發的序號是多少。但圖中爲了便於理解，ack 就表示收到的那個序號，不必糾結。
流量問題
有的時候，A 發送數據包的速度太快，而 B 的接收能力不夠，但 B 卻沒有告知 A 這個情況。
怎麼解決呢？很簡單，B 告訴 A 自己的接收能力，A 根據 B 的接收能力，相應控制自己的發送速率，就好了。B 怎麼告訴 A 呢？B 跟 A 說"我很強"這三個字麼？那肯定不行，得有一個嚴謹的規範。於是 B 決定，每次發送數據包給 A 時，順帶傳過來一個值，叫窗口大小（win)，這個值就表示 B 的接收能力。同理，每次 A 給 B 發包時也帶上自己的窗口大小，表示 A 的接收能力。
B 告訴了 A 自己的窗口大小值，A 怎麼利用它去做 A 這邊發包的流量控制呢？很簡單，假如 B 給 A 傳過來的窗口大小 win = 5，那 A 根據這個值，把自己要發送的數據分成這麼幾類。
圖片過於清晰，就不再文字解釋了。當 A 不斷髮送數據包時，已發送的最後一個序號就往右移動，直到碰到了窗口的上邊界，此時 A 就無法繼續發包，達到了流量控制。
但是當 A 不斷髮包的同時，A 也會收到來自 B 的確認包，此時整個窗口會往右移動，因此上邊界也往右移動，A 就能發更多的數據包了。
以上都是在窗口大小不變的情況下，而 B 在發給 A 的 ACK 包中，每一個都可以重新設置一個新的窗口大小，如果 A 收到了一個新的窗口大小值，A 會隨之調整。如果 A 收到了比原窗口值更大的窗口大小，比如 win = 6，則 A 會直接將窗口上邊界向右移動 1 個單位。
如果 A 收到了比原窗口值小的窗口大小，比如 win = 4，則 A 暫時不會改變窗口大小，更不會將窗口上邊界向左移動，而是等着 ACK 的到來，不斷將左邊界向右移動，直到窗口大小值收縮到新大小爲止。
OK，終於將流量控制問題解決得差不多了，你看着上面一個個小動圖，給這個窗口起了一個更生動的名字，滑動窗口。
擁塞問題
但有的時候，不是 B 的接受能力不夠，而是網絡不太好，造成了網絡擁塞。
擁塞控制與流量控制有些像，但流量控制是受 B 的接收能力影響，而擁塞控制是受網絡環境的影響。擁塞控制的解決辦法依然是通過設置一定的窗口大小，只不過，流量控制的窗口大小是 B 直接告訴 A 的，而擁塞控制的窗口大小按理說就應該是網絡環境主動告訴 A。但網絡環境怎麼可能主動告訴 A 呢？只能 A 單方面通過試探，不斷感知網絡環境的好壞，進而確定自己的擁塞窗口的大小。
擁塞窗口大小的計算有很多複雜的算法，就不在本文中展開了，假如擁塞窗口的大小爲 cwnd，上一部分流量控制的滑動窗口的大小爲 rwnd，那麼窗口的右邊界受這兩個值共同的影響，需要取它倆的最小值。窗口大小 = min(cwnd, rwnd)含義很容易理解，當 B 的接受能力比較差時，即使網絡非常通暢，A 也需要根據 B 的接收能力限制自己的發送窗口。當網絡環境比較差時，即使 B 有很強的接收能力，A 也要根據網絡的擁塞情況來限制自己的發送窗口。正所謂受其短板的影響嘛~
連接問題
有的時候，B 主機的相應進程還沒有準備好或是掛掉了，A 就開始發送數據包，導致了浪費。
這個問題在於，A 在跟 B 通信之前，沒有事先確認 B 是否已經準備好，就開始發了一連串的信息。就好比你和另一個人打電話，你還沒有"喂"一下確認對方有沒有在聽，你就巴拉巴拉說了一堆。這個問題該怎麼解決呢？地球人都知道，三次握手嘛！
A：我準備好了(SYN)
B：我知道了(ACK)，我也準備好了(SYN)
A：我知道了(ACK)
A 與 B 各自在內存中維護着自己的狀態變量，三次握手之後，雙方的狀態都變成了連接已建立（ESTABLISHED）。雖然就只是發了三次數據包，並且在各自的內存中維護了狀態變量，但這麼說總覺得太 low，你看這個過程相當於雙方建立連接的過程，於是你靈機一動，就叫它面向連接吧。注意：這個連接是虛擬的，是由 A 和 B 這兩個終端共同維護的，在網絡中的設備根本就不知道連接這回事兒！但凡事有始就有終，有了建立連接的過程，就要考慮釋放連接的過程，又是地球人都知道，四次揮手嘛！
A：再見，我要關閉了(FIN)
B：我知道了(ACK)
給 B 一段時間把自己的事情處理完...
B：再見，我要關閉了(FIN)
A：我知道了(ACK)
總結
以上講述的，就是 TCP 協議的核心思想，上面過程中需要傳輸的信息，就體現在 TCP 協議的頭部，這裏放上最常見的 TCP 協議頭解讀的圖。
不知道你現在再看下面這句話，是否能理解：
TCP 是面向連接的、可靠的、基於字節流的傳輸層通信協議
面向連接、可靠，這兩個詞通過上面的講述很容易理解，那什麼叫做基於字節流呢？很簡單，TCP 在建立連接時，需要告訴對方 MSS（最大報文段大小）。也就是說，如果要發送的數據很大，在 TCP 層是需要按照 MSS 來切割成一個個的 TCP 報文段 的。切割的時候我纔不管你原來的數據表示什麼意思，需要在哪裏斷句啥的，我就把它當成一串毫無意義的字節，在我想要切割的地方咔嚓就來一刀，標上序號，只要接收方再根據這個序號拼成最終想要的完整數據就行了。在我 TCP 傳輸這裏，我就把它當做一個個的字節，也就是基於字節流的含義了。
最後留給大家一個作業，模擬 A 與 B 建立一個 TCP 連接。
第一題：A 給 B 發送 "aaa" ，然後 B 給 A 回覆一個簡單的字符串 "success"，並將此過程抓包。
第二題：A 給 B 發送 "aaaaaa ... a" 超過最大報文段大小，然後 B 給 A 回覆一個簡單的字符串 "success"，並將此過程抓包。
下面是我抓的包（第二題）
三次握手階段
A -> B [SYN] Seq=0 Win=64240 Len=0
MSS=1460 WS=256
B - >A [SYN, ACK] Seq=0 Ack=1 Win=29200 Len=0
MSS=1424 WS=512
A -> B [ACK] Seq=1 Ack=1 Win=132352 Len=0
數據發送階段
A -> B [ACK] Seq=1 Ack=1 Win=132352 Len=1424
A -> B [ACK] Seq=1425 Ack=1 Win=132352 Len=1424
A -> B [PSH, ACK] Seq=2849 Ack=1 Win=132352 Len=1247
B -> A [ACK] Seq=1 Ack=1425 Win=32256 Len=0
B -> A [ACK] Seq=1 Ack=2849 Win=35328 Len=0
B -> A [ACK] Seq=1 Ack=4096 Win=37888 Len=0
B -> A [PSH, ACK] Seq=1 Ack=4096 Win=37888 Len=7
四次揮手階段
B -> A [FIN, ACK] Seq=8 Ack=4096 Win=37888 Len=0
A -> B [ACK] Seq=4096 Ack=9 Win=132352 Len=0
A -> B [FIN, ACK] Seq=4096 Ack=9 Win=132352 Len=0
A -> B [ACK]
詳細的抓包數據與分析整理，就不在文章裏展示了，可以在公衆號 低併發編程 後臺回覆 TCP 獲取。
後記
一提到 TCP，可能很多人都想起被三次握手和四次揮手所支配的恐懼。但其實你跟着文中的思路你就會發現，三次握手與四次揮手只佔 TCP 所解決的核心問題中很小的一部分，只是因爲它在面試中很適合作爲知識點進行考察，所以在很多人的印象中就好像 TCP 的核心就是握手和揮手似的。
本文希望你能從問題出發，真正理解 TCP 所想要解決的問題，你會發現很多原理就好像生活常識一樣順其自然，並不複雜，希望你有收穫～
完