TCP 是網際網路核心協定之一，本文介紹它的基礎知識。
一、TCP 協定的作用
網際網路由一整套協定構成。TCP 隻是其中的一層，有着自己的分工。
（圖檔說明：TCP 是以太網協定和 IP 協定的上層協定，也是應用層協定的下層協定。）
最底層的以太網協定（Ethernet）規定了電子信号如何組成資料包（packet），解決了子網内部的點對點通信。
（圖檔說明：以太網協定解決了區域網路的點對點通信。）
但是，以太網協定不能解決多個區域網路如何互通，這由 IP 協定解決。
（圖檔說明：IP 協定可以連接配接多個區域網路。）
IP 協定定義了一套自己的位址規則，稱為 IP 位址。它實作了路由功能，允許某個區域網路的 A 主機，向另一個區域網路的 B 主機發送消息。
（圖檔說明：路由器就是基于 IP 協定。區域網路之間要靠路由器連接配接。）
路由的原理很簡單。市場上所有的路由器，背後都有很多網口，要接入多根網線。路由器内部有一張路由表，規定了 A 段 IP 位址走出口一，B 段位址走出口二，......通過這套"指路牌"，實作了資料包的轉發。
（圖檔說明：本機的路由表注明了不同 IP 目的地的資料包，要發送到哪一個網口（interface）。）
IP 協定隻是一個位址協定，并不保證資料包的完整。如果路由器丢包（比如緩存滿了，新進來的資料包就會丢失），就需要發現丢了哪一個包，以及如何重新發送這個包。這就要依靠 TCP 協定。
簡單說，TCP 協定的作用是，保證資料通信的完整性和可靠性，防止丢包。
二、TCP 資料包的大小
以太網資料包（packet）的大小是固定的，最初是1518位元組，後來增加到1522位元組。其中， 1500 位元組是負載（payload），22位元組是頭資訊（head）。
IP 資料包在以太網資料包的負載裡面，它也有自己的頭資訊，最少需要20位元組，是以 IP 資料包的負載最多為1480位元組。
（圖檔說明：IP 資料包在以太網資料包裡面，TCP 資料包在 IP 資料包裡面。）
TCP 資料包在 IP 資料包的負載裡面。它的頭資訊最少也需要20位元組，是以 TCP 資料包的最大負載是 1480 - 20 = 1460 位元組。由于 IP 和 TCP 協定往往有額外的頭資訊，是以 TCP 負載實際為1400位元組左右。
是以，一條1500位元組的資訊需要兩個 TCP 資料包。HTTP/2 協定的一大改進， 就是壓縮 HTTP 協定的頭資訊，使得一個 HTTP 請求可以放在一個 TCP 資料包裡面，而不是分成多個，這樣就提高了速度。
（圖檔說明：以太網資料包的負載是1500位元組，TCP 資料包的負載在1400位元組左右。）
三、TCP 資料包的編号（SEQ）
一個包1400位元組，那麼一次性發送大量資料，就必須分成多個包。比如，一個 10MB 的檔案，需要發送7100多個包。
發送的時候，TCP 協定為每個包編号（sequence number，簡稱 SEQ），以便接收的一方按照順序還原。萬一發生丢包，也可以知道丢失的是哪一個包。
第一個包的編号是一個随機數。為了便于了解，這裡就把它稱為1号包。假定這個包的負載長度是100位元組，那麼可以推算出下一個包的編号應該是101。這就是說，每個資料包都可以得到兩個編号：自身的編号，以及下一個包的編号。接收方由此知道，應該按照什麼順序将它們還原成原始檔案。
（圖檔說明：目前包的編号是45943，下一個資料包的編号是46183，由此可知，這個包的負載是240位元組。）
四、TCP 資料包的組裝
收到 TCP 資料包以後，組裝還原是作業系統完成的。應用程式不會直接處理 TCP 資料包。
對于應用程式來說，不用關心資料通信的細節。除非線路異常，收到的總是完整的資料。應用程式需要的資料放在 TCP 資料包裡面，有自己的格式（比如 HTTP 協定）。
TCP 并沒有提供任何機制，表示原始檔案的大小，這由應用層的協定來規定。比如，HTTP 協定就有一個頭資訊Content-Length，表示資訊體的大小。對于作業系統來說，就是持續地接收 TCP 資料包，将它們按照順序組裝好，一個包都不少。
作業系統不會去處理 TCP 資料包裡面的資料。一旦組裝好 TCP 資料包，就把它們轉交給應用程式。TCP 資料包裡面有一個端口（port）參數，就是用來指定轉交給監聽該端口的應用程式。
（圖檔說明：系統根據 TCP 資料包裡面的端口，将組裝好的資料轉交給相應的應用程式。上圖中，21端口是 FTP 伺服器，25端口是 SMTP 服務，80端口是 Web 伺服器。）
應用程式收到組裝好的原始資料，以浏覽器為例，就會根據 HTTP 協定的Content-Length字段正确讀出一段段的資料。這也意味着，一次 TCP 通信可以包括多個 HTTP 通信。
五、慢啟動和 ACK
伺服器發送資料包，當然越快越好，最好一次性全發出去。但是，發得太快，就有可能丢包。帶寬小、路由器過熱、緩存溢出等許多因素都會導緻丢包。線路不好的話，發得越快，丢得越多。
最理想的狀态是，線上路允許的情況下，達到最高速率。但是我們怎麼知道，對方線路的理想速率是多少呢？答案就是慢慢試。
TCP 協定為了做到效率與可靠性的統一，設計了一個慢啟動（slow start）機制。開始的時候，發送得較慢，然後根據丢包的情況，調整速率：如果不丢包，就加快發送速度；如果丢包，就降低發送速度。
Linux 核心裡面設定了（常量TCP_INIT_CWND），剛開始通信的時候，發送方一次性發送10個資料包，即"發送視窗"的大小為10。然後停下來，等待接收方的确認，再繼續發送。
預設情況下，接收方每收到兩個 TCP 資料包，就要發送一個确認消息。"确認"的英語是 acknowledgement，是以這個确認消息就簡稱 ACK。
ACK 攜帶兩個資訊。
- 期待要收到下一個資料包的編号
- 接收方的接收視窗的剩餘容量
發送方有了這兩個資訊，再加上自己已經發出的資料包的最新編号，就會推測出接收方大概的接收速度，進而降低或增加發送速率。這被稱為"發送視窗"，這個視窗的大小是可變的。
（圖檔說明：每個 ACK 都帶有下一個資料包的編号，以及接收視窗的剩餘容量。雙方都會發送 ACK。）
注意，由于 TCP 通信是雙向的，是以雙方都需要發送 ACK。兩方的視窗大小，很可能是不一樣的。而且 ACK 隻是很簡單的幾個字段，通常與資料合并在一個資料包裡面發送。
（圖檔說明：上圖一共4次通信。第一次通信，A 主機發給B 主機的資料包編号是1，長度是100位元組，是以第二次通信 B 主機的 ACK 編号是 1 + 100 = 101，第三次通信 A 主機的資料包編号也是 101。同理，第二次通信 B 主機發給 A 主機的資料包編号是1，長度是200位元組，是以第三次通信 A 主機的 ACK 是201，第四次通信 B 主機的資料包編号也是201。）
即使對于帶寬很大、線路很好的連接配接，TCP 也總是從10個資料包開始慢慢試，過了一段時間以後，才達到最高的傳輸速率。這就是 TCP 的慢啟動。
六、資料包的遺失處理
TCP 協定可以保證資料通信的完整性，這是怎麼做到的？
前面說過，每一個資料包都帶有下一個資料包的編号。如果下一個資料包沒有收到，那麼 ACK 的編号就不會發生變化。
舉例來說，現在收到了4号包，但是沒有收到5号包。ACK 就會記錄，期待收到5号包。過了一段時間，5号包收到了，那麼下一輪 ACK 會更新編号。如果5号包還是沒收到，但是收到了6号包或7号包，那麼 ACK 裡面的編号不會變化，總是顯示5号包。這會導緻大量重複内容的 ACK。
如果發送方發現收到三個連續的重複 ACK，或者逾時了還沒有收到任何 ACK，就會确認丢包，即5号包遺失了，進而再次發送這個包。通過這種機制，TCP 保證了不會有資料包丢失。
（圖檔說明：Host B 沒有收到100号資料包，會連續發出相同的 ACK，觸發 Host A 重發100号資料包。）