CN-4 传输层（TCP 可靠传输与拥塞控制）

这一部分为什么存在？

网络层（IP）只解决“把分组送到目的主机”，而且是不可靠的：可能丢包、乱序、重复。但应用程序真正需要的是：

1. 进程到进程的通信——一台主机上跑着浏览器、邮件、FTP，分组到了主机该交给谁？→ 需要端口。
2. 可靠的字节流——应用不想自己处理丢包乱序 → 需要序号、确认、重传。
3. 不把对方淹死——发送方快、接收方慢 → 需要流量控制。
4. 不把网络搞垮——所有主机都拼命发，路由器缓存溢出、全网崩溃 → 需要拥塞控制。

四个需求层层递进，构成本模块的主线。第 4 条尤其关键：流量控制只盯着接收方，拥塞控制盯着整个网络——接收方缓存再大，路由器队列满了照样丢包，所以仅有流量控制不够（这正是用户要求理解的“为什么”）。

如果没有传输层：每个应用都要自己实现可靠性（重复造轮子且互相不兼容），并且大量应用无节制发包会造成拥塞崩溃（congestion collapse）——吞吐率趋近于零。

flowchart TD
    A["IP 只到主机且不可靠"] --> B["端口：定位到进程<br/>UDP/TCP 复用与分用"]
    A --> C["可靠性三件套<br/>序号 + 确认(ACK) + 超时重传"]
    C --> D["连接管理<br/>三次握手 / 四次挥手"]
    C --> E["流量控制<br/>rwnd 约束发送方：别把接收方淹死"]
    C --> F["拥塞控制<br/>cwnd 约束发送方：别把网络搞垮"]
    E --> G["发送窗口 = min(cwnd, rwnd)"]
    F --> G
    F --> H["慢开始 → 拥塞避免<br/>→ 快重传 / 快恢复"]

核心概念：

1. UDP：为什么“不可靠”还有人用

UDP 只加了端口和校验和（8B 首部），不建立连接、不确认、不重传。价值在于：低时延（无握手）、无连接状态、可广播/组播、首部开销小——适合 DNS 查询、实时音视频、SNMP 等“快比全重要”的场景。对比题：12B 数据用 UDP（首部 8B）效率 12/20 = 60%，用 TCP（首部 20B）效率 12/32 = 37.5%（2021 年 39 题）。UDP 校验和计算含伪首部（2024 年 39 题考二进制校验和计算）。

2. 可靠传输三件套（TCP 的地基）

• 按字节编序号：应用看到的是无边界的字节流，seq 标记每段数据在流中的位置。
• 累计确认 + 捎带确认：ack = N 表示“N 之前都收到了”；确认通常搭在反向数据段上。
• 超时重传：每发一段启动计时器，RTO 到期未确认则重传。

经典考题逻辑：甲发 300B、400B、500B 三段，第 3 段序号 900，乙只正确收到第 1、3 段 → 先反推各段序号：第 2 段 = 900 − 400 = 500，第 1 段 = 500 − 300 = 200；乙连续正确接收的字节止于 499（第 2 段是空洞，第 3 段虽收到也不能计入），故确认号 = 500（2011 年 40 题）。陷阱：确认号永远指向“连续正确接收的下一字节”，乱序收到的段不能计入。

3. 连接管理：为什么三次、为什么四次

三次握手：SYN(seq=x) → SYN+ACK(seq=y, ack=x+1) → ACK(ack=y+1)。

• 为什么不是两次：为了防止已失效的连接请求突然到达——若两次即建立，一个迟到的旧 SYN 会让服务器白白建立连接并等待数据，浪费资源；第三次握手让客户端确认“这次连接是我现在要的”。同时双方要互相确认对方的初始序号（两次握手服务器无法确认客户端收到了自己的 y）。
• 考法：已知双方初始序号 2018、2046，第三次握手的确认号 = 2046+1 = 2047（2019 年 39 题）；第二次握手 SYN=1、ACK=1，ack = 客户端 ISN + 1（2016 年 41 题第 1 问）。

四次挥手：FIN → ACK → FIN → ACK。

• 为什么四次而握手三次：TCP 全双工，两个方向要分别关闭；被动方收到 FIN 时可能还有数据没发完，只能先回 ACK（“我知道你要关了”），等数据发完再发自己的 FIN——ACK 与 FIN 不能合并，所以多一次。
• FIN 占 1 个序号：SYN 序号 1000、FIN 序号 5001 且无重传 → 数据字节 = 5001 − 1001 = 4000B（2020 年 39 题）。

4. 流量控制：rwnd 怎么约束发送方

接收方在每个 ACK 中通告 rwnd = 接收缓存剩余量。发送方保证：已发未确认的字节数 ≤ min(cwnd, rwnd)。

• 2010 年 39 题：cwnd=4000B，连发两段共 2000B，收到对第一段的确认且通告 rwnd=2000 → 还可发 = min(4000, 2000) − 已发未确认 1000 = 1000B。
• 2015 年 39 题（重要变体）：乙的 16KB 缓存只存不取 → rwnd 随每段到达递减：初始通告 16KB，甲慢开始 1→2→4→8 KB，第 4 个 RTT 后已发 15KB，rwnd 只剩 1KB → 发送窗口 = 1KB。cwnd 还在涨，但 rwnd 先见底——两个窗口谁小谁说了算。

5. 拥塞控制：四种机制的因果链

为什么流控不够：rwnd 只反映接收方缓存，网络中间路由器的队列状态没人告诉发送方；所有发送方都按 rwnd 上限猛发 → 路由器队列溢出丢包 → 超时重传进一步加重负担 → 恶性循环。所以发送方必须自己探测网络的承受能力（cwnd），这是端到端探测：丢包（超时/重复 ACK）被当作拥塞信号。

• 慢开始：cwnd 从 1 MSS 起，每收到一个 ACK 就 +1 MSS，效果是每 RTT 翻倍（1→2→4→8…）。为什么指数：连接刚建立时对网络一无所知，指数增长是“快速爬坡、尽快接近可用带宽”的最优策略；但指数增长不能无限制 →
• ssthresh 门限：cwnd ≥ ssthresh 后转拥塞避免，每 RTT 只 +1 MSS（加法增大，谨慎逼近极限）。
• 超时（严重信号：可能整段路径出问题）：ssthresh ← cwnd/2，cwnd ← 1，退回慢开始（保守重来）。
• 三个重复 ACK（轻度信号：只丢了个别段，网络仍通——否则后续段到不了、收不到重复 ACK）：快重传（立即重传丢失段不等超时）+ 快恢复：ssthresh ← cwnd/2，cwnd ← ssthresh（而非 1），直接进入拥塞避免。为什么减半而不归零：重复 ACK 证明网络仍在投递分组，没必要从头探测。

两类事件不同处理是最高频考点：

计算模板（来源：复习资料 P5 模板 8）：MSS=1KB，cwnd=16KB 超时 → ssthresh=8、cwnd=1；慢开始 1→2→4→8 用 3 RTT，拥塞避免 8→16 用 8 RTT，共 11 RTT（2022 年 38 题；2009 年 39 题同型：16KB 超时后 4 RTT → cwnd=9KB）。

TCP vs UDP（为什么易混 / 怎么选）：都走端口、都属传输层。本质区别：TCP 用连接状态换取可靠、有序、流量与拥塞控制；UDP 用放弃这些换取简单与低时延。判别线索：题目出现“DNS 查询/实时性/广播”→ UDP；“文件传输/网页/邮件”→ TCP。效率题直接算首部比（2021 年 39 题）。

流量控制 vs 拥塞控制（本模块第一易混对）：为什么易混——都通过限制发送窗口实现，公式里还取 min。本质区别——流量控制是点对点问题（保护接收方缓存，信息来自对方显式通告），拥塞控制是全局问题（保护网络，信息来自发送方对丢包的隐式推断）。判别线索：题目给“接收缓存/rwnd 通告”→ 流量控制（2015-39）；给“超时/重复 ACK/ssthresh”→ 拥塞控制（2022-38）。

TCP 可靠机制 vs 链路层 GBN/SR（X-6 连接点）：同一套滑动窗口思想的两层实例。差别：链路层按帧编号、在单条链路上；TCP 按字节编号、端到端跨多跳；TCP 的重传计时器需自适应 RTT 变化，链路层 RTT 基本固定。窗口约束公式也不同：GBN $W \leq 2^n - 1$，SR（收发等窗）$W \leq 2^{n-1}$。

形态一：序号与确认号计算（必考）：2009-38（确认号=首序号+载荷总长）、2011-40（乱序到达时累计确认指向连续末尾+1）、2013-39（由对方段推己方 seq/ack）、2019-39（握手确认号）、2020-39（由 SYN/FIN 序号推数据量）、2021-40（由 ack+rcvwnd 定可发序号范围 501~1000）、2024-47（FTP 数据连接序号与挥手 ACK 综合）。

形态二：窗口联合计算（发送窗口 = min(cwnd, rwnd)）：2010-39、2014-38（超时后 10 RTT，发送窗口 10KB）、2015-39（缓存不取走，rwnd 衰减到 1KB）、2020-38（无拥塞时 cwnd 8→32KB 最长 48ms：拥塞避免最慢）。

形态三：拥塞控制曲线/事件分析：2009-39、2022-38（超时回 1，11 RTT 恢复 16KB）、2016-41（大题：三次握手标志位 + rwnd 递减 + 发送窗口降为 0 的时刻与平均速率）、2024-47（ssthresh=4MSS 时按确认号推 cwnd）。

形态四：UDP 辨析：2014-39（UDP 叙述正误）、2018-39（分用依据目的端口）、2021-39（载荷效率 60% vs 37.5%）、2024-39（UDP 校验和计算）。

做题触发词：看到“确认段通告接收窗口”→ 立即写 min(cwnd, rwnd)；看到“超时”→ cwnd 归 1；看到“3 个重复 ACK”→ cwnd 减半；看到“仅正确收到第 1、3 段”→ 确认号不能跳过空洞；看到“缓存不被取走”→ rwnd 逐段递减。

来源：真题markdown/2009-2024统考真题.md 对应题号；复习资料 P5 §1.4、模板 8/10。

• 向前依赖：CN-0 分层与封装（段 → IP 数据报）；CN-2 滑动窗口（GBN/SR 是 TCP 可靠机制的前身，X-6）；CN-3 IP 的不可靠性（传输层可靠性的存在理由）、ICMP 源点抑制（路由器侧的拥塞信号，2010 年 36 题）。
• 向后引出：
  • 应用层协议全部站在 TCP/UDP 之上：DNS（UDP 53）、HTTP（TCP 80）、FTP（TCP 21/20 两条连接）、SMTP/POP3 → CN-5；
  • TCP 连接的状态（SYN_SENT、ESTABLISHED、TIME_WAIT）由 OS 的协议栈和进程共同维护 → 与 OS-1 进程 I/O 阻塞的联系；
  • 一次完整通信中 TCP 段的封装与 ARP、路由、分片的协作 → CN-6 全景（2024-47 即 FTP 场景下的 TCP+IP+应用层综合）。

1. IP 已经能把分组送到主机，为什么还要传输层？（进程寻址 + 可靠性 + 两种控制）
2. 分组到了主机，怎么知道交给哪个进程？（端口；UDP 分用看目的端口）
3. UDP 什么都不保证，为什么还存在？（低时延、无状态、首部小；DNS/实时场景）
4. TCP 用什么三件套实现可靠？（序号 + 累计确认 + 超时重传）
5. 乱序到达时确认号怎么定？（连续正确接收的下一字节，不跳空洞）
6. 握手为什么三次、挥手为什么四次？（失效请求 + 双方 ISN 确认；全双工两方向分别关）
7. SYN、FIN 在序号上有什么特殊性？（各占 1 个序号）
8. 发送方能发多少由谁决定？（min(cwnd, rwnd)）
9. 为什么有 rwnd 还要 cwnd？（接收方装得下 ≠ 网络扛得住）
10. 慢开始为什么敢指数增长？为什么还要 ssthresh？（快速爬坡；逼近极限要改加法）
11. 超时和 3 个重复 ACK 分别说明什么？处理为何不同？（严重 vs 轻度；归 1 vs 减半）
12. 给定超时点和 ssthresh，怎么数 RTT 恢复窗口？（慢开始翻倍到门限，再每 RTT +1）
13. TCP 的滑动窗口和链路层 GBN/SR 是什么关系？（同思想两层实例；帧 vs 字节，单链路 vs 端到端）