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<html><head><title>TCP 传输控制协议</title><meta charSet="utf-8"/><meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0"/><meta property="og:title" content="TCP 传输控制协议"/><meta property="og:description" content="TCP 传输控制协议的实现."/><meta property="og:image" content="https://wiki.7wate.com/static/og-image.png"/><meta property="og:width" content="1200"/><meta property="og:height" content="675"/><link rel="icon" href="../../../static/icon.png"/><meta name="description" content="TCP 传输控制协议的实现."/><meta name="generator" content="Quartz"/><link rel="preconnect" href="https://fonts.googleapis.com"/><link rel="preconnect" href="https://fonts.gstatic.com"/><script async src="https://umami.7wate.com/script.js" data-website-id="c061efdc-95dd-4d21-9d04-a1ffda0a85b9"></script><script>
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<p>TCP（传输控制协议）始于 1970 年代，由 Vint Cerf 和 Bob Kahn 两位 DARPA（美国国防高级研究计划局）的科学家共同开发。TCP 作为互联网协议套件的核心部分，最初是为了在网络节点之间分享资源而设计的，采用了分组交换技术。</p>
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<p>最初的 TCP 协议在 1974 年由 Vint Cerf、Yogen Dalal 和 Carl Sunshine 提出，并于 1974 年底公布了 RFC 675 文件，这是 TCP 的首次正式规范。TCP 最早是作为一个统一的传输控制程序出现的，后来被分解为模块化的架构，形成了 TCP 和 IP 两个独立的协议。这一过程最终演变成了非正式称呼的 TCP/IP 模型。</p>
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<p>TCP/IP 在 1983 年被采纳为 ARPANET（互联网的前身）的协议标准，标志着 TCP/IP 正式成为互联网的基础。2004 年，Vint Cerf 和 Bob Kahn 因其在 TCP/IP 上的基础性工作而获得了图灵奖。</p>
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<p><strong>TCP 作为一种面向连接的协议，其建立连接的过程采用了三次握手机制，确保了连接的可靠性。</strong> 它还实现了重传和错误检测机制，提高了数据传输的可靠性。与此同时，TCP 也提供了网络拥塞避免的机制。TCP 头部通常包含 20 字节大小，用于连接和数据传输的控制信息，后面可以跟随最多 40 字节的额外信息。</p>
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<p>随着互联网的发展，TCP 经历了多次更新和改进，以适应不断变化的网络环境和需求。总的来说，TCP 作为互联网的关键部分，对计算机网络的发展历史产生了深远的影响</p>
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<p>TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，广泛用于互联网上的数据传输。以下是对 TCP 协议的系统全面讲解：</p>
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<h2 id="tcp-核心特性">TCP 核心特性<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#tcp-核心特性" class="internal"> §</a></h2>
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<ul>
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<li><strong>面向连接：</strong> TCP 是一种面向连接的协议，意味着在数据开始传输之前，必须先在发送方和接收方之间建立一个稳定的连接。</li>
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<li><strong>可靠性：</strong> TCP 提供可靠的数据传输服务。这是通过序列号、确认应答、数据重传以及校验和机制来实现的。如果数据在传输过程中丢失或出错，TCP 将重新发送这些数据。</li>
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<li><strong>流量控制：</strong> TCP 使用滑动窗口机制进行流量控制，以防止网络拥堵。这确保了发送方不会超过接收方处理能力的速度发送数据。</li>
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<li><strong>拥塞控制：</strong> TCP 实现了拥塞控制算法（如慢启动、拥塞避免、快速恢复和快速重传），以应对网络中的拥塞情况。这些机制有助于动态调整数据传输速率，以避免网络过载。</li>
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<li><strong>三次握手机制：</strong> TCP 连接的建立采用三次握手机制（SYN，SYN-ACK，ACK），确保双方都准备好进行数据传输。</li>
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<li><strong>四次挥手断开连接：</strong> TCP 连接的终止是通过四次挥手过程来实现的，确保双方都已完成数据传输并同意关闭连接。</li>
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<li><strong>有序传输：</strong> TCP 保证数据按照发送的顺序到达接收端。如果接收到的数据片段不是按顺序的，TCP 将重新排序，以确保数据的正确顺序。</li>
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<li><strong>端到端通信：</strong> TCP 提供端到端的通信。每个 TCP 连接唯一地被定义为包含源 IP 地址、源端口、目的 IP 地址和目的端口的四元组。</li>
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</ul>
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<h2 id="tcp-连接建立和终止">TCP 连接建立和终止<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#tcp-连接建立和终止" class="internal"> §</a></h2>
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<pre><code class="mermaid">sequenceDiagram
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participant 客户端
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participant 服务器
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Note over 客户端,服务器: TCP连接建立（三次握手）
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客户端->>服务器: SYN (初始化连接)
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Note right of 服务器: 服务器接收SYN
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服务器->>客户端: SYN-ACK (确认SYN)
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Note left of 客户端: 客户端接收SYN-ACK
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客户端->>服务器: ACK (完成连接建立)
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Note right of 服务器: 连接建立成功
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Note over 客户端,服务器: 数据传输
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Note left of 客户端: 客户端发送数据
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Note right of 服务器: 服务器接收并处理数据
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Note right of 服务器: 服务器发送数据
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Note left of 客户端: 客户端接收并处理数据
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Note over 客户端,服务器: TCP连接终止（四次挥手）
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客户端->>服务器: FIN (请求关闭连接)
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Note right of 服务器: 服务器接收FIN
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服务器->>客户端: ACK (确认FIN)
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Note left of 客户端: 客户端接收ACK
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Note right of 服务器: 服务器准备关闭
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服务器->>客户端: FIN (请求关闭连接)
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Note left of 客户端: 客户端接收FIN
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客户端->>服务器: ACK (确认并关闭连接)
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Note right of 服务器: 连接关闭成功
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</code></pre>
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<h3 id="tcp-连接建立三次握手">TCP 连接建立（三次握手）<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#tcp-连接建立三次握手" class="internal"> §</a></h3>
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<ol>
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<li><strong>SYN（同步）</strong>：
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<ol>
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<li><strong>客户端</strong>发送一个 SYN（同步）数据包到服务器，并在数据包中指定客户端的初始序列号（ISN）。这个序列号是随机生成的，用于标识传输的数据段。</li>
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<li>这表示客户端希望建立连接，并开始序列号计数。</li>
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</ol>
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</li>
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<li><strong>SYN-ACK（同步确认）</strong>：
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<ol>
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<li><strong>服务器</strong>接收到 SYN 数据包后，回复一个 SYN-ACK 数据包。这个数据包同时承载着服务器的初始序列号，以及对客户端 SYN 的确认。</li>
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<li>服务器的确认号是客户端序列号加一，表示服务器已经准备好接收客户端从该序列号开始的数据。</li>
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</ol>
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</li>
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<li><strong>ACK（确认）</strong>：
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<ol>
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<li><strong>客户端</strong>收到 SYN-ACK 后，发送一个 ACK 数据包给服务器。这个 ACK 数据包包含客户端对服务器 SYN-ACK 的确认。</li>
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<li>客户端的确认号是服务器序列号加一，表示客户端已准备好接收服务器从该序列号开始的数据。</li>
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<li>此时，连接建立完成，双方可以开始数据传输。</li>
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</ol>
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</li>
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</ol>
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<h3 id="tcp-连接终止四次挥手">TCP 连接终止（四次挥手）<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#tcp-连接终止四次挥手" class="internal"> §</a></h3>
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<ol>
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<li><strong>FIN（结束）</strong>：
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<ol>
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<li>当<strong>客户端</strong>完成数据发送后，它发送一个带有 FIN 标志的数据包给服务器，表明客户端已经没有数据要发送了，并希望关闭连接。</li>
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</ol>
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</li>
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<li><strong>ACK（确认）</strong>：
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<ol>
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<li><strong>服务器</strong>收到 FIN 后，发送一个 ACK 数据包给客户端，确认已经收到客户端的结束请求。</li>
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<li>服务器此时可能还有数据需要发送给客户端。</li>
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</ol>
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</li>
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<li><strong>服务器的 FIN</strong>：
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<ol>
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<li>一旦<strong>服务器</strong>也完成了数据发送，它同样发送一个带有 FIN 标志的数据包给客户端，表示希望终止连接。</li>
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</ol>
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</li>
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<li><strong>客户端的 ACK</strong>：
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<ol>
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<li><strong>客户端</strong>接收服务器的 FIN 后，发送 ACK 来确认收到服务器的结束请求。</li>
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<li>在发送最后一个 ACK 后，客户端会进入 TIME_WAIT 状态，持续一段时间以确保服务器收到了 ACK，防止网络延迟造成的数据包丢失。</li>
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</ol>
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</li>
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</ol>
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<h2 id="tcp-头部结构">TCP 头部结构<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#tcp-头部结构" class="internal"> §</a></h2>
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<table><thead><tr><th>字段名称</th><th>大小（位）</th><th>描述</th></tr></thead><tbody><tr><td>源端口</td><td>16</td><td>标识发送方的端口号。</td></tr><tr><td>目的端口</td><td>16</td><td>标识接收方的端口号。</td></tr><tr><td>序列号</td><td>32</td><td>数据段的序列号，用于保证数据的顺序传输。</td></tr><tr><td>确认号</td><td>32</td><td>确认接收到的数据，通常是期望收到的下一个数据段的序列号。</td></tr><tr><td>数据偏移</td><td>4</td><td>指示 TCP 头部的长度，以便确定数据内容的起始位置。</td></tr><tr><td>保留</td><td>6</td><td>为将来使用保留的位，目前必须设置为 0。</td></tr><tr><td>标志位</td><td>6</td><td>包含多个控制标志，如 SYN、ACK、FIN 等，用于控制 TCP 的状态。</td></tr><tr><td>窗口大小</td><td>16</td><td>控制发送方的数据量，用于流量控制。</td></tr><tr><td>校验和</td><td>16</td><td>用于错误检测的校验和。</td></tr><tr><td>紧急指针</td><td>16</td><td>当 URG 标志位为 1 时，标识紧急数据的结束位置。</td></tr><tr><td>选项（可选）</td><td>可变</td><td>可选字段，用于不同的扩展功能，如最大报文段长度（MSS）、窗口扩大因子等。</td></tr><tr><td>填充</td><td>可变</td><td>确保 TCP 头部长度是 32 位字的整数倍，仅在必要时添加。</td></tr></tbody></table>
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<table><thead><tr><th>标志位</th><th>名称</th><th>描述</th></tr></thead><tbody><tr><td>URG</td><td>紧急指针</td><td>当设置为 1 时，表示紧急指针字段有效。通常用于传输紧急数据。</td></tr><tr><td>ACK</td><td>确认应答</td><td>当设置为 1 时，表示确认号字段有效。几乎所有的 TCP 包除了最初的 SYN 包都会设置这个标志。</td></tr><tr><td>PSH</td><td>推送函数</td><td>当设置为 1 时，建议接收方应尽快将这个报文段交给应用层，而不是等缓冲区满了再发送。</td></tr><tr><td>RST</td><td>复位</td><td>当设置为 1 时，表示连接中出现严重错误（如因主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后重新建立传输。</td></tr><tr><td>SYN</td><td>同步序列号</td><td>在连接建立时用来同步序列号。当一个端点希望建立连接时，SYN 标志被设置为 1。</td></tr><tr><td>FIN</td><td>结束</td><td>当设置为 1 时，表示发送端没有数据再发送，即希望结束连接。</td></tr></tbody></table>
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<h2 id="数据传输">数据传输<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#数据传输" class="internal"> §</a></h2>
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<li><strong>序列号和确认号</strong>：序列号用于标识从 TCP 源端向目的端发送的数据字节流的每一个字节，确保数据的有序传递。确认号用于确认收到的数据，并且请求下一个预期的序列号，从而实现对丢失数据的重传。</li>
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<li><strong>数据分段和重组</strong>：TCP 将较大的数据块分割成更小的段进行传输，这样做可以提高网络的效率和可靠性。接收端负责将这些小段按照序列号重新组装成原始数据。</li>
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<li><strong>可靠传输机制</strong>：TCP 通过使用校验和、序列号、确认应答以及超时重传等机制，确保数据完整性和可靠性。</li>
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</ul>
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<h2 id="流量控制">流量控制<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#流量控制" class="internal"> §</a></h2>
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<li><strong>滑动窗口机制</strong>：滑动窗口是一种流量控制技术，它允许发送方根据接收方的处理能力和缓冲区大小调整其发送速率，从而避免接收方被过量数据淹没。</li>
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<li><strong>窗口更新</strong>：TCP 通过不断调整窗口大小（即可发送或接收的数据量）来适应网络条件和接收端的处理能力。</li>
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<li><strong>阻塞控制</strong>：在接收端缓冲区满时，它会通过设置窗口大小为零来通知发送端停止发送数据，直到缓冲区有足够的空间再次接收数据。</li>
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</ul>
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<h2 id="拥塞控制">拥塞控制<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#拥塞控制" class="internal"> §</a></h2>
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<ul>
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<li><strong>慢启动和拥塞避免</strong>：TCP 通过慢启动算法开始传输过程，逐渐增加拥塞窗口的大小来探测网络容量。当达到一个阈值后，便转换到拥塞避免阶段，这时窗口的增长会变得更加保守。</li>
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<li><strong>快速重传和快速恢复</strong>：在发生丢包时，TCP 通过快速重传机制重新发送丢失的包，而不是等待超时重传计时器的到期。快速恢复算法则是在检测到丢包后调整拥塞窗口和阈值，以快速恢复正常的传输速率。</li>
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<li><strong>拥塞窗口</strong>：拥塞窗口大小是根据网络的拥塞程度动态调整的，以控制在任一时刻发送到网络上的数据量，从而减少整体网络的拥塞。</li>
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</ul>
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<h2 id="tcp-与-udp-的比较">TCP 与 UDP 的比较<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#tcp-与-udp-的比较" class="internal"> §</a></h2>
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<table><thead><tr><th>特性/协议</th><th>TCP</th><th>UDP</th></tr></thead><tbody><tr><td><strong>类型</strong></td><td>面向连接的协议</td><td>无连接的协议</td></tr><tr><td><strong>可靠性</strong></td><td>可靠（保证数据正确传输）</td><td>不可靠（无法保证数据的正确传输）</td></tr><tr><td><strong>连接建立</strong></td><td>需要三次握手建立连接</td><td>无需建立连接，直接发送数据</td></tr><tr><td><strong>速度/效率</strong></td><td>相对较慢，因为要求确认和错误恢复</td><td>较快，适用于对实时性要求高的应用</td></tr><tr><td><strong>数据传输方式</strong></td><td>字节流</td><td>数据报</td></tr><tr><td><strong>顺序传递保证</strong></td><td>是（保证数据按顺序到达）</td><td>否</td></tr><tr><td><strong>拥塞控制</strong></td><td>有（如慢启动、拥塞避免）</td><td>无</td></tr><tr><td><strong>流量控制</strong></td><td>有（使用滑动窗口机制）</td><td>无</td></tr><tr><td><strong>头部开销</strong></td><td>较大（20 字节最小）</td><td>较小（8 字节最小）</td></tr><tr><td><strong>用途示例</strong></td><td>网页浏览、文件传输、电子邮件等</td><td>实时视频会议、在线游戏、语音通话等</td></tr><tr><td><strong>错误检测和修正</strong></td><td>有（通过序列号和确认应答）</td><td>有错误检测，但无修正（只有校验和）</td></tr><tr><td><strong>数据包排序</strong></td><td>自动重新排序乱序到达的数据包</td><td>不对数据包进行排序</td></tr><tr><td><strong>实时性</strong></td><td>适用于对可靠性要求高的场景</td><td>适用于对实时性要求高的场景</td></tr></tbody></table>
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<h2 id="应用场景">应用场景<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#应用场景" class="internal"> §</a></h2>
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<p><strong>TCP 广泛应用于需要可靠数据传输的场景</strong>，如 Web 浏览（HTTP/HTTPS）、文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP、IMAP、POP3）等。</p>
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<p>TCP 协议的设计使其成为互联网中最可靠的数据传输协议之一，适用于大多数需要高可靠性的网络应用。虽然在某些方面（如实时性和传输效率）可能不如 UDP，但其稳定和可靠的特性使其在网络通信中占有极其重要的地位。</p></article></div><div class="right sidebar"><div class="graph "><h3>Graph View</h3><div class="graph-outer"><div id="graph-container" data-cfg="{"drag":true,"zoom":true,"depth":1,"scale":1.1,"repelForce":0.5,"centerForce":0.3,"linkDistance":30,"fontSize":0.6,"opacityScale":1,"showTags":true,"removeTags":[]}"></div><svg version="1.1" id="global-graph-icon" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" xmlnsXlink="http://www.w3.org/1999/xlink" x="0px" y="0px" viewBox="0 0 55 55" fill="currentColor" xmlSpace="preserve"><path d="M49,0c-3.309,0-6,2.691-6,6c0,1.035,0.263,2.009,0.726,2.86l-9.829,9.829C32.542,17.634,30.846,17,29,17
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s1.794-4,4-4S33,46.794,33,49z M29,31c-3.309,0-6-2.691-6-6s2.691-6,6-6s6,2.691,6,6S32.309,31,29,31z M47,41c0,1.103-0.897,2-2,2
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function toggleCallout() {
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const outerBlock = this.parentElement;
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outerBlock.classList.toggle(`is-collapsed`);
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const collapsed = outerBlock.classList.contains(`is-collapsed`);
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const height = collapsed ? this.scrollHeight : outerBlock.scrollHeight;
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outerBlock.style.maxHeight = height + `px`;
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let current = outerBlock;
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let parent = outerBlock.parentElement;
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while (parent) {
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if (!parent.classList.contains(`callout`)) {
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return;
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}
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const collapsed2 = parent.classList.contains(`is-collapsed`);
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const height2 = collapsed2 ? parent.scrollHeight : parent.scrollHeight + current.scrollHeight;
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parent.style.maxHeight = height2 + `px`;
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current = parent;
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parent = parent.parentElement;
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}
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}
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function setupCallout() {
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const collapsible = document.getElementsByClassName(
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`callout is-collapsible`
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);
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for (const div of collapsible) {
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const title = div.firstElementChild;
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if (title) {
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title.removeEventListener(`click`, toggleCallout);
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title.addEventListener(`click`, toggleCallout);
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const collapsed = div.classList.contains(`is-collapsed`);
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const height = collapsed ? title.scrollHeight : div.scrollHeight;
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div.style.maxHeight = height + `px`;
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}
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}
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}
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document.addEventListener(`nav`, setupCallout);
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window.addEventListener(`resize`, setupCallout);
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</script><script type="module">
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import mermaid from 'https://cdn.jsdelivr.net/npm/mermaid/dist/mermaid.esm.min.mjs';
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const darkMode = document.documentElement.getAttribute('saved-theme') === 'dark'
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mermaid.initialize({
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startOnLoad: false,
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securityLevel: 'loose',
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theme: darkMode ? 'dark' : 'default'
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});
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document.addEventListener('nav', async () => {
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|
|
await mermaid.run({
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|
|
querySelector: '.mermaid'
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|||
|
|
})
|
|||
|
|
});
|
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|
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</script><script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/katex@0.16.7/dist/contrib/copy-tex.min.js" type="application/javascript"></script><script src="../../../postscript.js" type="module"></script></html>
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