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网络编程——TCP和UDP详细讲解

news 来源：原创 2025/5/10 19:08:36

文章目录

TCP/UDP全面详解
- 什么是TCP和UDP？
- TCP如何保证可靠性？
- - 1. 序列号（Sequence Number）
  - 2. 确认应答（ACK）
  - 3. 超时重传（Timeout Retransmission）
  - 4. 窗口控制（Sliding Window）
  - 5. 快速重传（Fast Retransmit）
- 三次握手（建立连接）
- 四次挥手（断开连接）
- 为什么是三次握手？为什么是四次挥手？
- - 三次握手的原因
  - 四次挥手的原因
- TCP和UDP特点
- TCP拥塞控制
- - 一、慢启动（Slow Start）
  - - 举例：
  - 二、拥塞避免（Congestion Avoidance）
  - - 举例：
  - 三、超时重传与慢启动重启
  - 处理方法：
- 四、快速重传与快速恢复（Fast Retransmit & Fast Recovery）
- - 快速重传行为：
  - 快速恢复行为：
- 拥塞控制减慢增长速度的条件总结
- - 拥塞控制会减慢增长速度的时机：
- TCP/IP 数据链路层的交互过程简述
- TCP 和 UDP 如何区分？
- UDP 中的 `connect()` 函数原理
- - `connect()` 的作用：
- TCP连接中的 TIME_WAIT 状态详解
- - 一、TIME_WAIT 状态如何产生？
  - 二、TIME_WAIT 的两个核心作用
  - - 1. 确保连接的可靠关闭
    - 2. 避免旧连接干扰新连接
  - 三、TIME_WAIT 的副作用与优化
  - - ✅ 解决方法：
- TCP的模型

TCP/UDP全面详解

什么是TCP和UDP？

TCP（Transmission Control Protocol）叫传输控制协议，是面向连接、可靠传输的协议。
UDP（User Datagram Protocol）叫用户数据报协议，是无连接、尽最大努力交付的协议。

一句话总结：

TCP可靠但慢，像寄快递（要签收、确认收货）
UDP快速但可能丢失，像发传单（发了就发了，收不收无所谓）

TCP如何保证可靠性？

TCP为了确保数据能安全、完整送到对方，设计了很多机制，主要有：

1. 序列号（Sequence Number）

每发送一段数据，TCP都会打个"编号"。
比如发送第一包数据编号1001，第二包编号2001，接收方按照编号顺序排列，避免了丢包、乱序问题。

2. 确认应答（ACK）

接收方收到数据后，会回一条确认信息（ACK），告诉发送方：“我收到了！下一包从xxxx开始发。”
如果发送方迟迟收不到确认，就会怀疑数据丢了。

3. 超时重传（Timeout Retransmission）

如果一定时间（超时）还没收到确认，发送方就自动重发。
一般超时时间 = 2 × RTT（往返时延）+ 偏差值。

4. 窗口控制（Sliding Window）

为了提高速度，TCP可以同时发多包，不需要一包一确认。
窗口大小定义了一次可以连续发送多少数据而不用等确认。

小例子：
窗口大小=3，发送方可以连续发第1包、第2包、第3包数据，不用等第1包的确认就发第2包！

5. 快速重传（Fast Retransmit）

如果连续收到3个相同的ACK（比如一直提示1001未收到），发送方立刻重发缺失的数据段，而不用等超时。

三次握手（建立连接）

客户端发送SYN报文，请求建立连接（SYN=1，seq=J）。
服务器收到后，发送SYN+ACK报文，表示接受（SYN=1，ACK=1，seq=K，ack=J+1）。
客户端再回一个ACK报文，确认连接建立（ACK=1，ack=K+1）。

三次握手后，双方就可以正式通信了。
在这里插入图片描述

特别感谢@frozendure绘制的图片。

在这里插入图片描述

四次挥手（断开连接）

客户端发FIN报文，请求断开（主动关闭）。
服务器收到后，回ACK确认（被动关闭）。
服务器数据发完后，也发FIN报文。
客户端收到FIN后，回ACK确认，进入TIME_WAIT等待一段时间后彻底关闭。

小图示：
在这里插入图片描述

为什么是三次握手？为什么是四次挥手？

三次握手的原因

防止陈旧连接（老旧、失效的请求包）误建立连接。
确保双方收发能力正常。
如果只两次握手，可能因为网络延迟，服务器误认为客户端还想建立新连接，导致资源浪费。假设两次握手时，A发出的第一个请求连接报文段在某一网络节点长时间滞留，以致延误到连接释放后才到达B。B收到失效的连接请求报文段后，认为是A又发出一次新的连接请求。于是向A发送确认报文段，同意建立连接，此时在假定两次握手的前提下，连接建立成功。这样会导致B的资源白白浪费
假设两次握手时，A发出一个请求报文段，但发送过后A就因为问题而导致下线。之后B收到了A发来的请求连接报文段，给A发送确认报文段，同意建立连接，此时在假定两次握手的前提下，连接建立成功。这样会导致B的资源白白浪费

第一次握手（客户端发送SYN）：保证客户端能够发送数据。
第二次握手（服务器发送SYN-ACK）：保证服务器能够接收并发送数据。
第三次握手（客户端发送ACK）：保证客户端能够接收数据。

四次挥手的原因

TCP是全双工，发送和接收需要分别关闭。
一方关闭发送，不代表另一方立即也关闭发送，因此需要两次FIN和两次ACK，确保双方都完成通信。

TCP和UDP特点

项目	TCP	UDP
是否连接	面向连接（需三次握手）	无连接
可靠性	可靠，具备确认应答、重传机制	不可靠，尽力而为
传输速度	较慢（因连接建立和状态维护）	较快（无需连接、开销小）
传输单位	字节流（Stream）	数据报（Datagram）
是否顺序	保证顺序到达	不保证顺序
占用资源	较多（需维护连接状态）	较少
安全性	容易受到SYN洪水攻击等	较少攻击面
优点	可靠性高、顺序到达	快速、资源开销小
缺点	速度慢、资源占用高、易被攻击	不可靠、易丢包、乱序
适用场景	要求高可靠性，能容忍延迟	要求实时性强，容忍丢包
应用实例	文件传输（FTP）、发送邮件（SMTP）、网页浏览（HTTP）	视频通话（VoIP）、在线视频直播、网络游戏、广播

TCP拥塞控制

在 TCP 通信中，如果发送端窗口设置过大，会在短时间内发送大量数据，这可能导致中间路由器和接收端缓冲区被挤爆，进而引发丢包、重传等问题。TCP 拥塞控制是指通过动态调整数据发送速率，避免过多的数据包涌入网络，从而引起网络拥堵甚至网络瘫痪的一种机制。

因此，TCP 引入了拥塞控制窗口（cwnd），并采用如下四种主要算法动态调整窗口大小：

一、慢启动（Slow Start）

初始化拥塞窗口 cwnd = 1（以 MSS 为单位）。
每收到一个确认应答（ACK），就将 cwnd 翻倍（即指数增长）。
每经过一个 RTT，cwnd *= 2。

举例：

第一个 RTT：cwnd = 1
第二个 RTT：cwnd = 2
第三个 RTT：cwnd = 4
第四个 RTT：cwnd = 8

✅ 优点：快速提高网络利用率
❌ 缺点：指数增长可能迅速导致拥塞

二、拥塞避免（Congestion Avoidance）

当 cwnd 达到慢启动阈值 ssthresh（一般初始值为 65536 字节），就不再使用慢启动的指数增长，而是进入拥塞避免阶段。

每经过一个 RTT，仅将 cwnd 加 1（线性增长）。
防止窗口增长过快引发网络拥塞。

举例：

cwnd = 64，到达 ssthresh
后续每次 ACK，cwnd = cwnd + 1/cwnd ≈ 每 RTT 增加 1

三、超时重传与慢启动重启

如果出现报文段超时未收到 ACK，TCP 认为网络出现拥塞。

处理方法：

将 ssthresh 设置为当前 cwnd 的一半；
将 cwnd 设为 1；
重新进入慢启动阶段。

🔁 这是 TCP 的自我修复机制，避免持续拥塞。

四、快速重传与快速恢复（Fast Retransmit & Fast Recovery）

如果收到 3 个重复的 ACK（即 ACK 重复了 3 次），TCP 认为某个报文段丢失。

快速重传行为：

立即重传丢失的段，而不是等待超时。

快速恢复行为：

ssthresh = 当前 cwnd / 2；
cwnd = ssthresh + 3（体现网络尚可）；
进入拥塞避免阶段（不再重回慢启动）；

✅ 快速恢复保持了中等的发送速率，防止性能大幅下降。

拥塞控制减慢增长速度的条件总结

拥塞控制会减慢增长速度的时机：

cwnd 超过 ssthresh：
- 进入拥塞避免阶段，从指数增长变为线性增长。
发生超时重传：
- 表明网络严重拥塞，立即进入慢启动（cwnd 重置为 1）。
收到 3 个重复 ACK：
- 进入快速重传，cwmd 缩减并进入拥塞避免。

TCP/IP 数据链路层的交互过程简述

当 IP 层向数据链路层（如以太网）传递数据时：

查找 ARP 缓存：查找目标 IP 对应的 MAC 地址；
若存在，直接封装 MAC 地址；
若不存在，发起 ARP 广播请求；
接收到 IP 匹配的设备返回自己的 MAC 地址；
使用该 MAC 地址封装链路层帧，完成数据发送。

TCP 和 UDP 如何区分？

传输层协议由 IP 协议头中的 Protocol 字段决定：

TCP：值为 6
UDP：值为 17

操作系统根据协议和端口号，将报文传递给对应的应用程序。

UDP 中的 `connect()` 函数原理

`connect()` 的作用：

记录对端 IP 与端口号；
发送数据时不再需要 sendto() 指定地址，可以使用 write()、send()；
接收数据时只接受来自该对端的数据；
可接收异步错误信息；
丢弃来自其他地址的包。

✅ 用于长期通信（如 TFTP）或希望使用 TCP 接口风格的场景。

TCP连接中的 TIME_WAIT 状态详解

一、TIME_WAIT 状态如何产生？

主动关闭连接的一方（client）发送最后一个 ACK 后进入 TIME_WAIT；
保持 2 * MSL 时间后释放连接；
MSL（Maximum Segment Lifetime）：报文段在网络中的最大生存时间。

二、TIME_WAIT 的两个核心作用

1. 确保连接的可靠关闭

若最后一个 ACK 丢失，server 会重发 FIN；
client 能在 TIME_WAIT 状态中接收该 FIN，并再次回复 ACK；
保证被动关闭方正常结束连接。

2. 避免旧连接干扰新连接

如果不等待，可能使用相同四元组快速建立新连接；
网络中仍存在旧连接的数据包，可能被误接收，导致数据错乱；
2MSL 等待时间保证旧数据失效。

三、TIME_WAIT 的副作用与优化

占用端口资源；
影响服务器重启；

✅ 解决方法：

设置套接字选项 SO_REUSEADDR，允许 TIME_WAIT 状态的端口被重复绑定。

TCP的模型

四层TCP/IP模型如下，包括应用层、网络层、数据链路层、物理层
在这里插入图片描述

特别感谢@frozendure绘制的图片和说明。