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计算机网络：自顶向下方法 - Day 8 | TCP 协议详解与拥塞控制

📖 Day 8 / 15 · 《计算机网络：自顶向下方法》阅读笔记

每天 30 分钟，15 天读懂计算机网络。今天我们来深入互联网最重要的传输层协议——TCP。三次握手、四次挥手、可靠传输、流量控制、拥塞控制，一次讲透。

一、TCP 是什么？为什么这么重要？#

1.1 从 UDP 到 TCP#

前两天我们聊传输层的时候提过 UDP——那个「我发了，收到没？不关我事」的无忧无虑少年。UDP 很简单，但也太不靠谱了。

现实世界中，很多时候我们需要可靠的数据传输。你用 SSH 连你的 Mac mini，敲一个 ls，不可能出现「这个 ls 包丢了，你再来一次」的情况。你希望的是：每一条命令都准确无误地到达，而且按顺序到达。

这就是 TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）存在的意义。

🎯 一句话理解 TCP

TCP 是一个面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。它在不可靠的网络之上，为你搭建了一条看起来靠谱的「逻辑通道」。

1.2 TCP 的三大核心特征#

特征 含义 生活类比
面向连接 通信前先「建立连接」（三次握手），通信后「断开连接」（四次挥手） 打电话先拨号，对方接听后才开始聊
可靠传输 保证数据不丢、不重复、不乱序 快递员不仅要送到，还要按顺序送到，丢了就重新派件
字节流 数据被视为连续的字节流，没有消息边界 水龙头里流出来的水，不分「第几杯」，就是源源不断的流

1.3 TCP 报文段结构#

先来看看 TCP 数据包长什么样：

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 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
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          Source Port          |       Destination Port        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Sequence Number                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Acknowledgment Number                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
| Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
|       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Checksum            |         Urgent Pointer        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options (if any)                           |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

几个关键字段速览：

  • 端口号（Port）：源端口 + 目的端口，标识「这是谁发给谁的应用」。比如 SSH 是 22，HTTP 是 80
  • 序号（Sequence Number）：这是 TCP 可靠传输的灵魂——每个字节都有编号，接收方靠它来排序和去重
  • 确认号（Acknowledgment Number）：「我收到了你序号 N 之前的所有数据，下一个我等 N+1」
  • 标志位（Flags）：ACK、SYN、FIN、RST 等，控制 TCP 状态机的运转
  • 窗口大小（Window）：流量控制的核心，告诉对方「我还能接收多少数据」

💡 实战观察

你现在用 SSH 连着 Mac mini？那就有至少一条 TCP 连接活着。我们可以用 ss 命令看到它：

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# 查看 established 的 TCP 连接
ss -tn state established

输出里你会看到源端口（你的终端，通常是随机的高位端口）和目的端口（22，SSH 默认端口），以及连接状态。

二、三次握手：TCP 连接是怎么建立的？#

2.1 为什么要「握手」？#

想象你给朋友打电话：

  1. 你拨号，说：「喂，听得到吗？」（试探一下线路通不通）
  2. 朋友说：「听到了，你能听到我吗？」（确认你能听到，同时反向试探）
  3. 你说：「能听到，那我们开始聊吧。」（确认双向都通了，开搞）

这就是三次握手的逻辑。TCP 要确保双方都能发送和接收数据，才正式建立连接。

2.2 三次握手详细过程#

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客户端（主动打开）                          服务器（被动打开）
    |                                            |
    |           SYN, seq=x                       |
    |  ----------------------------------------> |  SYN-RCVD
    |                                            |
    |       SYN+ACK, seq=y, ack=x+1              |
    |  <---------------------------------------- |
    |                                            |
    |           ACK, ack=y+1                     |
    |  ----------------------------------------> |  ESTABLISHED
    |                                            |
    |          （可以传数据了！）                    |

第一步：SYN（同步）

客户端选一个初始序号 x，发送 SYN 报文段给服务器。此时客户端进入 SYN_SENT 状态。

意思是：「嘿，我想跟你建连，我的初始序号是 x」

第二步：SYN+ACK（同步+确认）

服务器收到 SYN 后，自己也选一个初始序号 y，然后回复 SYN+ACK 报文段。确认号是 x+1（表示「x 之前的我都收到了，等你发 x+1」）。服务器进入 SYN_RCVD 状态。

意思是：「收到！我也想跟你建连，我的序号是 y，你发的 x 我收到了」

第三步：ACK（确认）

客户端收到 SYN+ACK 后，再发一个 ACK，确认号是 y+1。双方都进入 ESTABLISHED 状态。

意思是：「你的 y 我也收到了，咱俩正式开聊！」

2.3 为什么是三次，不是两次？#

这是一个经典面试题。

两次握手的问题：假设客户端发了一个 SYN，但因为网络延迟，这个 SYN 过了很久才到服务器。此时客户端早就放弃了这个连接（超时了），但服务器不知道，它会回复 SYN+ACK，然后就傻等。如果只有两次握手，服务器在发出 SYN+ACK 后就认为连接建立了，会一直等数据——白白浪费资源。

三次握手中，服务器发了 SYN+ACK 后还要等客户端的第三个 ACK 才算建立连接。如果客户端没回应，服务器可以超时重发或放弃，不会一直傻等。

🍵 生活类比

两次握手就像你敲别人家的门，里面说「请进」，你就直接进去了——但如果这个「请进」是说给之前敲门的另一个人（延迟的旧敲门），那就尴尬了。三次握手就是你在门外面再确认一句「真的是请我进吗？」，里面说「是的」，你才进去。

2.4 实战：用 tcpdump 抓三次握手#

让我们实际抓一个 TCP 三次握手的包看看：

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# 在一个终端窗口开始抓包（抓取 22 端口的包）
sudo tcpdump -i any -n 'port 22' -c 20 -S

# 在另一个终端窗口发起 SSH 连接
ssh localhost

你会看到类似这样的输出：

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IP 127.0.0.1.54321 > 127.0.0.1.22: Flags [S], seq 1234567890, win 65535, ...
IP 127.0.0.1.22 > 127.0.0.1.54321: Flags [S.], seq 9876543210, ack 1234567891, win 65535, ...
IP 127.0.0.1.54321 > 127.0.0.1.22: Flags [.], ack 9876543211, win 65535, ...
  • 第一行 Flags [S] 就是 SYN
  • 第二行 Flags [S.] 就是 SYN+ACK（那个 . 代表 ACK 标志位）
  • 第三行 Flags [.] 就是最后的 ACK

三行，三次握手，完美。

三、四次挥手：TCP 连接是怎么断开的？#

3.1 为什么断开要四次？#

建立连接只需要三次握手，断开却要四次挥手。这是因为断开是单向的——A 可以停止发送数据，但 B 可能还有数据要发给 A。

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客户端                                      服务器
    |                                            |
    |           FIN, seq=u                       |
    |  ----------------------------------------> |  CLOSE_WAIT
    |                                            |
    |           ACK, ack=u+1                     |
    |  <---------------------------------------- |
    |                                            |
    |          （服务器可能还有数据要发）              |
    |           data...                          |
    |  <---------------------------------------- |
    |                                            |
    |           FIN, seq=v                       |
    |  <---------------------------------------- |  LAST_ACK
    |                                            |
    |           ACK, ack=v+1                     |
    |  ----------------------------------------> |
    |                                            |
    |  [等待 2MSL] → CLOSED         → CLOSED      |

第一步：主动方发 FIN，表示「我没数据要发了」

第二步：被动方回 ACK，表示「知道了，你先别发了」。但被动方可能还有数据要发，所以这个阶段叫 CLOSE_WAIT

第三步：被动方数据发完了，也发 FIN，表示「我也没数据了」

第四步：主动方回 ACK，表示「收到，再见」

3.2 为什么要等待 2MSL？#

主动方在最后发完 ACK 后，不会立刻关闭，而是进入 TIME_WAIT 状态，等待 2 倍的 MSL（Maximum Segment Lifetime，报文最大生存时间，通常 2 分钟）。

原因有两个：

  1. 保证最后的 ACK 能到达对方：如果最后的 ACK 丢了，对方会超时重发 FIN，你还能再回一个 ACK。如果你直接关了，对方就永远等不到确认了。
  2. 让旧连接的报文消失：防止延迟的旧报文段被错误地接收为下一个新连接的数据。

🍵 生活类比

四次挥手就像两个人挂电话：

A：「我没啥事说了，先挂了？」（FIN）

B：「好的，但我还有两句。」（ACK）

B：「……（说完最后的话）……好了，我也挂了。」（FIN）

A：「好的，拜拜！」（ACK）

A 挂了之后还默默拿着电话等了一会儿（TIME_WAIT），怕 B 没听到「拜拜」又打过来。

3.3 实战：观察 TCP 状态#

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# 查看所有 TCP 连接及其状态
ss -tn state time-wait
ss -tn state close-wait
ss -tn state established

# 统计各状态的连接数
ss -tan | awk '{print $1}' | sort | uniq -c | sort -rn

如果你的服务器跑了很多 Web 服务或者 frp 隧道，你很可能会看到大量的 TIME_WAIT 状态连接——这完全是正常的，是 TCP 在做它该做的事。

四、TCP 可靠传输：怎么保证数据不丢不错不乱？#

4.1 可靠传输的四大法宝#

TCP 的可靠性不是魔法，它靠的是四个核心机制：

① 序号与确认#

每个发送的字节都有序号。接收方通过确认号告诉发送方「我收到了哪些」。如果发送方发出数据后一段时间没收到确认，就认为丢了，重新发。

② 重传#

发送方每发一个数据段就启动一个定时器（重传定时器）。超时了还没收到 ACK？重传！

超时时间（RTO，Retransmission Timeout）不是固定的，TCP 会动态估算往返时间（RTT）来设置合理的超时值。

③ 流水线与滑动窗口#

一个一个发太慢了——发一个等一个 ACK，网络利用率极低。TCP 用滑动窗口机制，允许一次发多个数据段，不用等每个都确认。

④ 冗余 ACK 与快重传#

如果接收方收到一个乱序的段（比如缺了 3 号段），它会发一个冗余 ACK（重复确认之前收到的最后一段）。如果发送方收到 3 个冗余 ACK，就认为那个段丢了，立即重传——这就是快重传，不用等超时。

🍵 生活类比

想象你在网购，快递分 10 箱送过来：

  • 序号与确认：每箱都有编号，你签收时告诉卖家「1-5 箱收到了」
  • 重传：第 6 箱迟迟没到，你等了 3 天后联系卖家说「重发」
  • 滑动窗口：你不用一箱一箱收，可以同时有 5 箱在路上
  • 快重传：你收到了 7、8、9 箱但没收到 6 号，你连着催了 3 次「6 号呢？」，卖家立刻补发 6 号，不用等 3 天超时

4.2 TCP 的状态机#

TCP 连接的完整生命周期涉及多个状态。这里画一个简化的状态转移图：

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      被动打开
          |
      LISTEN
          |
收到 SYN  |  发送 SYN+ACK
          v
     SYN_RCVD
          |
收到 ACK   |
          v
     ESTABLISHED
          |
发送 FIN   |  收到 FIN
          v
     FIN_WAIT_1          CLOSE_WAIT
          |                   |
          v                   |
     FIN_WAIT_2              |
          |    收到 FIN       |
          v                   |
     TIME_WAIT    <---------- LAST_ACK
          |                   |
2MSL 超时   |          收到 ACK |
          v                   v
      CLOSED              CLOSED

不用担心记不住——实际开发中你很少需要手动跟踪这些状态。但理解了它，遇到网络问题时你就知道去哪里查。

五、流量控制：别淹死我！#

5.1 什么是流量控制？#

流量控制（Flow Control）解决的是：发送方发太快，接收方处理不过来怎么办？

接收方有一个接收缓存。如果发送方发得太快，缓存满了，后续的数据就会被丢弃。为了解决这个问题，TCP 让接收方在 ACK 中带上自己的接收窗口大小，告诉发送方「我还能吃多少」。

5.2 滑动窗口机制#

发送方维护一个滑动窗口，窗口大小 = 接收方通告的窗口大小。窗口内的数据可以连续发送，不用等确认。随着 ACK 到达，窗口向前「滑动」，露出新的可发送数据。

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发送窗口（Window = 400 bytes）：
            已确认        已发送未确认      可发送但未发      不可发送
        +----------+------------------+--------------+------------------+
数据    | 0  ...99 | 100 ... 299      | 300 ... 499  | 500 ...          |
        +----------+------------------+--------------+------------------+
                   ^                  ^              ^
                 窗口左沿           已发送指针       窗口右沿

收到 ACK 200 后，窗口向右滑动 100 bytes：

        已确认            已发送未确认      可发送但未发      不可发送
        +--------------+------------------+--------------+----------+
数据    | 0   ... 199  | 200 ... 299      | 300 ... 599  | 600 ...  |
        +--------------+------------------+--------------+----------+

当接收方处理慢、缓存快满时，它会通告一个越来越小的窗口，甚至降到 0（零窗口）。发送方看到零窗口就暂停发送，等接收方缓出空间后再继续。

🍵 生活类比

流量控制就像你往浴缸里放水：

  • 水龙头（发送方）控制水流大小
  • 浴缸（接收缓存）有固定容量
  • 如果水放得太快，浴缸要溢出了，你得关小水龙头
  • 等水用了部分后，再把水龙头开大

接收方通告窗口大小，就是浴缸在喊「还能装多少水！」

六、拥塞控制：别把路堵了！#

6.1 流量控制 vs 拥塞控制#

很多人搞混这两个概念：

流量控制 拥塞控制
解决什么问题 发送方 vs 接收方 所有发送方 vs 网络
类比 别淹死浴缸 别堵死高速公路
依据 接收方的窗口通告 发送方自己的网络感知
控制者 接收方决定 发送方自己决定

流量控制是「点对点」的——发送方根据接收方的容量调速。

拥塞控制是「全局」的——发送方根据网络的整体拥堵情况调速。

6.2 拥塞控制的四大算法#

TCP 拥塞控制由四个经典算法组成，它们是 TCP 的灵魂。

① 慢启动（Slow Start）#

别被名字骗了——慢启动其实一点都不慢。

连接刚建立时，发送方不知道网络能承受多少数据，所以从 cwnd = 1 MSS（最大报文段长度，通常约 1460 字节）开始。每收到一个 ACK，cwnd 加 1。

看起来每轮只加 1，但注意：每一轮的 ACK 数量等于这一轮发送的段数，所以 cwnd 实际上是指数增长的：

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RTT 1: cwnd = 1   （发送 1 段）
RTT 2: cwnd = 2   （发送 2 段）
RTT 3: cwnd = 4   （发送 4 段）
RTT 4: cwnd = 8   （发送 8 段）
RTT 5: cwnd = 16  （发送 16 段）
...

1 → 2 → 4 → 8 → 16 → 32，蹭蹭蹭往上涨。直到达到一个阈值（ssthresh），就切换到拥塞避免模式。

🍵 生活类比

搬进新宿舍，不知道电线能承受多大功率。先开一盏灯（1），没问题？再开两盏（2），还是没事？开四盏（4）……一直翻倍试探，直到快跳闸了就停下来，改成一盏一盏地加。

② 拥塞避免（Congestion Avoidance）#

当 cwnd 达到 ssthresh 后，从指数增长切换为线性增长——每个 RTT 只增加 1 MSS。

这就像从「猛踩油门」切换到「轻踩油门」。因为已经接近网络容量了，要小心试探。

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RTT 6: cwnd = 32  （ssthresh = 32）
RTT 7: cwnd = 33
RTT 8: cwnd = 34
RTT 9: cwnd = 35
...

③ 快重传（Fast Retransmit）#

之前提到了：如果收到 3 个冗余 ACK，说明那个段大概率丢了。TCP 不等超时，立刻重传丢失的段。

这比等超时（可能要等几秒）快多了。

④ 快恢复（Fast Recovery）#

快重传之后，TCP 不是从头开始慢启动，而是：

  1. 把 ssthresh 设为当前 cwnd 的一半
  2. 把 cwnd 设为新的 ssthresh
  3. 进入拥塞避免模式（线性增长）

也就是说，从一半的位置重新线性增长，而不是从 1 开始指数增长。这更合理，因为收到冗余 ACK 说明网络还在传输数据，只是有点堵，不是完全崩了。

但如果是超时丢包呢？（连冗余 ACK 都没收到，直接超时）

那就严重了：

  1. ssthresh = cwnd / 2
  2. cwnd = 1
  3. 回到慢启动模式

🍵 生活类比

你在高速上开车：

  • 慢启动：刚上高速，从低速开始，但很快加速（指数增长）
  • 拥塞避免：接近限速了，慢慢加（线性增长）
  • 快重传 + 快恢复：前面看到有几辆车急刹（冗余 ACK），你减速到一半，但没停车，继续慢慢加速
  • 超时：直接堵死了（超时），你只能从一档重新开始

6.3 完整的拥塞控制状态转移#

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           cwnd = 1
               |
         慢启动（指数增长）
               |
          cwnd >= ssthresh
               |
               v
         拥塞避免（线性增长）
          /            \
         /              \
3个冗余ACK              超时事件
       /                  \
      v                    v
 快重传                 超时重传
 ssthresh=cwnd/2     ssthresh=cwnd/2
 cwnd=ssthresh        cwnd=1
      |                    |
 快恢复（线性增长）       慢启动（指数增长）
      |                    |
      +--------------------+
               |
          继续循环...

6.4 TCP 变体：Reno vs Cubic vs BBR#

教科书上讲的是 TCP Reno（快重传+快恢复的发明者），但实际世界更丰富：

  • TCP Reno：经典版本，上面的算法就是它
  • TCP Cubic：Linux 默认（2008-至今），窗口增长函数是三次方程，在高带宽延迟网络中表现更好
  • TCP BBR：Google 开发（2016），不看丢包，而是根据 RTT 和带宽吞吐量来调整，在弱网环境下表现优异

你可以查看你的 Mac mini 当前用的是什么拥塞控制算法：

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# macOS 查看TCP拥塞控制
sysctl net.inet.tcp.ecn_initiate
sysctl net.inet.tcp.sendspace

# 如果是 Linux：
# sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control
# 通常输出 cubic 或 bbr

七、实战分析：你身边的 TCP#

7.1 SSH 连接中的 TCP#

你每天用 SSH 连 Mac mini，这就是 TCP 的典型场景：

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# 查看 SSH 连接的完整信息
ss -tnp 'dport = :22 or sport = :22'

# 输出示例：
# Local Address:Port    Peer Address:Port    State
# 192.168.1.100:54321   192.168.1.200:22     ESTABLISHED

SSH 对可靠性要求极高——你不能容忍一个 rm 命令在传输中丢失然后没执行（或者误执行）。所以 SSH 用 TCP 是天经地义的选择。

7.2 frp 隧道中的 TCP#

你的 frp 内网穿透隧道，底层也是 TCP 连接：

  • frpc → frps：一条持久的 TCP 连接，所有流量复用这条连接
  • 用户 → frps → frpc → 内网服务：每次访问都可能有新的 TCP 连接建立和断开

这就是为什么你经常在 frp 日志里看到大量 TIME_WAIT 状态的连接——每个 HTTP 请求都对应一次 TCP 连接的生命周期。

7.3 实战：观察 TCP 重传#

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# macOS 查看 TCP 统计信息
netstat -s -p tcp | head -40

# 重点关注这些指标：
# - packets sent
# - packets retransmitted （重传数）
# - connections established
# - connections closed

# 如果重传率高，说明网络质量不好或拥塞严重

7.4 实战：TCP 连接状态统计#

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# 统计各状态的 TCP 连接数量
netstat -an -p tcp | awk '{print $6}' | sort | uniq -c | sort -rn

# 或者在 Linux 上使用 ss：
ss -tan | awk 'NR>1{print $1}' | sort | uniq -c | sort -rn

典型输出：

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142 TIME_WAIT        # 正常，刚关闭的连接还在等 2MSL
 35 ESTABLISHED      # 活跃连接
  3 LISTEN           # 监听中的服务端口
  1 CLOSE_WAIT       # 有程序没正确关闭连接，值得留意

如果你看到大量 CLOSE_WAIT，通常意味着应用程序有 bug——收到对方的 FIN 后没有调用 close()，导致连接一直卡在 CLOSE_WAIT。

八、TCP vs UDP：何时用谁？#

经过前面几天和今天的学习，我们来做个完整对比：

特性 TCP UDP
连接 面向连接（三次握手） 无连接
可靠性 可靠（重传、确认、序号） 不可靠（尽力而为）
顺序 有序到达 可能乱序
速度 较慢（开销大） 快（开销小）
头部大小 20 字节 8 字节
流量控制 有（滑动窗口） 无
拥塞控制 有（慢启动等） 无
适用场景 SSH、HTTP/1、文件传输 DNS、视频流、游戏、QUIC

值得注意的是，现代趋势是 UDP + 应用层可靠性 的组合。比如 HTTP/3（QUIC）就用 UDP 在应用层实现了类似 TCP 的可靠传输，同时避免了 TCP 的队头阻塞问题。这是后话了，等我们学到应用层进阶的时候再聊。

九、关键知识点回顾#

读完今天的内容，确认你掌握了以下要点：

  1. 三次握手：SYN → SYN+ACK → ACK，确保双向通信能力
  2. 四次挥手：FIN → ACK → FIN → ACK，允许半关闭（一方先停，另一方继续发）
  3. TIME_WAIT：等待 2MSL，保证最后的 ACK 到达 + 让旧报文消失
  4. 可靠传输四机制：序号与确认、超时重传、滑动窗口、冗余 ACK + 快重传
  5. 流量控制：接收方通过通告窗口大小控制发送方速度（点对点）
  6. 拥塞控制：发送方感知网络拥堵，调整发送速率（全局）
  7. 慢启动：cwnd 从 1 开始，指数增长到 ssthresh
  8. 拥塞避免：超过 ssthresh 后线性增长
  9. 快重传：3 个冗余 ACK 触发立即重传，不等超时
  10. 快恢复：快重传后 cwnd 减半进入线性增长，不回 1
  11. 超时事件：cwnd 回 1，ssthresh 减半，重新慢启动

🧠 记忆口诀

三握四挥建断连，
序号确认保可靠，
滑动窗口控流量，
慢启拥避快重恢。

十、Day 9 预告：进入网络层！#

今天我们彻底搞定了传输层。从明天开始，我们要往下钻一层，进入计算机网络的核心——网络层。

Day 9 你将学到：

  • 🌐 网络层概述：数据平面 vs 控制平面，转发与路由的区别
  • 📦 数据平面：路由器是怎么读 IP 地址、查表、转发数据包的？
  • 🔧 路由器工作原理：输入端口、交换结构、输出端口， longest prefix matching（最长前缀匹配）

网络层是整个互联网的「骨架」——没有它，数据包就不知道该往哪走。

「TCP 像快递公司的调度系统，保证包裹送达。但包裹走哪条路？这是网络层的事。」

明天见！🚀

本文是《计算机网络：自顶向下方法》第 8 版读书笔记系列的第 8 篇。上一篇我们聊了传输层概述与 UDP，今天深入了 TCP 的方方面面。如果觉得有帮助，欢迎分享给也在学网络的朋友。

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