TCP 协议（完整指南）

TCP 协议：稳定可靠的网络传输核心

TCP 协议（Transmission Control Protocol）是互联网中最重要的传输层协议之一，它确保数据在网络中可靠、有序地传输。无论是网页浏览、邮件通信还是文件传输，TCP 协议都在幕后默默支持着。

核心概念

TCP 协议是一种面向连接、可靠的、基于字节流的传输协议。它在通信开始前会先建立连接，数据传输结束后再断开连接，整个过程像打电话一样，先拨号再说话，最后挂断。

• 面向连接：通信前需要握手建立连接。
• 可靠传输：通过确认机制、重传机制确保数据不丢失。
• 有序传输：数据按发送顺序到达。
• 流量控制与拥塞控制：防止网络过载，提升传输效率。

基础语法

以下是一些使用 TCP 协议进行网络通信的基础示例，分别用 Python 和 Java 展示客户端与服务器端的通信方式。

使用 Python 实现 TCP 服务器

import socket

server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

server_socket.bind(('localhost', 8080))

server_socket.listen(1)
print("服务器已启动，等待连接...")

client_socket, addr = server_socket.accept()
print(f"连接来自 {addr}")

data = client_socket.recv(1024)
print(f"收到数据: {data.decode()}")

client_socket.sendall("Hello from server!".encode())

client_socket.close()
server_socket.close()

使用 Python 实现 TCP 客户端

import socket

client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

client_socket.connect(('localhost', 8080))

client_socket.sendall("Hello from client!".encode())

response = client_socket.recv(1024)
print(f"服务器响应: {response.decode()}")

client_socket.close()

使用 Java 实现 TCP 服务器

import java.io.*;
import java.net.*;

public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 监听端口 8080
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
        System.out.println("服务器已启动，等待连接...");

        // 等待客户端连接
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        System.out.println("客户端已连接");

        // 获取输入流
        BufferedReader in = new BufferedReader(
            new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream())
        );
        String inputLine = in.readLine();
        System.out.println("收到数据: " + inputLine);

        // 获取输出流并发送响应
        PrintWriter out = new PrintWriter(
            new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream()), true
        );
        out.println("Hello from server!");

        // 关闭连接
        in.close();
        out.close();
        clientSocket.close();
        serverSocket.close();
    }
}

使用 Java 实现 TCP 客户端

import java.io.*;
import java.net.*;

public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 连接到本地服务器的 8080 端口
        Socket socket = new Socket("localhost", 8080);

        // 获取输出流并发送消息
        PrintWriter out = new PrintWriter(
            new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true
        );
        out.println("Hello from client!");

        // 获取输入流并读取响应
        BufferedReader in = new BufferedReader(
            new InputStreamReader(socket.getInputStream())
        );
        String response = in.readLine();
        System.out.println("服务器响应: " + response);

        // 关闭连接
        in.close();
        out.close();
        socket.close();
    }
}

进阶特性

TCP 协议包含多个关键机制，这些机制是其稳定性和可靠性的重要保障。下面通过表格对比几个核心特性：

实战应用

场景一：简易聊天服务

构建一个简单的 TCP 聊天服务，服务器和客户端可以互相发送消息。

// 服务器端
import java.io.*;
import java.net.*;

public class ChatServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8081);
        System.out.println("聊天服务器已启动，等待连接...");
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        System.out.println("客户端已连接");

        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
        PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream()), true);

        // 接收客户端消息并打印
        while (true) {
            String msg = in.readLine();
            if (msg == null) break;
            System.out.println("客户端说：" + msg);
            out.println("服务器收到：" + msg);
        }

        in.close();
        out.close();
        clientSocket.close();
        serverSocket.close();
    }
}

// 客户端
import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;

public class ChatClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("localhost", 8081);
        System.out.println("已连接到聊天服务器");

        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        // 启动接收线程
        new Thread(() -> {
            try {
                String response;
                while ((response = in.readLine()) != null) {
                    System.out.println(response);
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        // 发送消息
        while (scanner.hasNextLine()) {
            String line = scanner.nextLine();
            out.println(line);
        }

        scanner.close();
        in.close();
        out.close();
        socket.close();
    }
}

场景二：文件传输服务

通过 TCP 协议从客户端传输文件到服务器端。

import socket

server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('localhost', 8080))
server_socket.listen(1)

print("等待客户端连接...")
client_socket, addr = server_socket.accept()
print(f"连接来自 {addr}")

filename = client_socket.recv(1024).decode()
print(f"接收文件：{filename}")

with open(filename, 'wb') as f:
    while True:
        data = client_socket.recv(1024)
        if not data:
            break
        f.write(data)

print("文件接收完成！")
client_socket.close()
server_socket.close()

import socket

client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client_socket.connect(('localhost', 8080))

filename = 'test.txt'
client_socket.sendall(filename.encode())

with open(filename, 'rb') as f:
    while True:
        bytes_read = f.read(1024)
        if not bytes_read:
            break
        client_socket.sendall(bytes_read)

print("文件发送完成！")
client_socket.close()

注意事项

1. 避免频繁建立连接：TCP 连接建立和断开成本较高，适合长时间通信的场景，不推荐用于短时请求。
2. 处理粘包问题：TCP 是基于字节流的，数据可能会粘连，需通过消息边界识别（如固定长度、分隔符等）来解决。
3. 超时设置：若网络延迟或对方未响应，建议设置合理的超时时间，避免程序阻塞。
4. 线程与并发：服务器端若要同时处理多个客户端，应为每个连接分配独立线程或使用非阻塞 I/O。

总结

TCP 协议通过连接管理、可靠传输和流量控制等机制，为互联网应用提供了稳定的数据传输基础，是构建网络服务的关键工具。