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深入理解TCP与UDP：协议对比、头部结构与连接管理

news 来源：原创 2025/7/28 18:39:40

一、TCP与UDP的核心区别

特性TCPUDP
连接特性面向连接（三次握手建立连接）无连接，直接传输数据
可靠性通过确认重传、排序、流控保证可靠尽力交付，不保证数据到达
流量控制支持滑动窗口机制调节发送速率不支持
数据分段支持大数据分段传输以完整报文传输（最大65507字节）
资源与效率头部大（20-60字节）、效率较低头部小（8字节）、传输速度快

二、适用场景对比

1. TCP典型场景

  • 文件传输（FTP/HTTP）
  • 邮件协议（SMTP/POP3）
  • 网页浏览（HTTPS）
    核心需求：数据完整性与准确性优先，容忍一定延迟。

2. UDP典型场景

  • 实时视频/直播（RTP）
  • 在线游戏（MOBA/FPS）
  • DNS查询
    核心需求：低延迟优先，允许少量数据丢失。

三、协议头部结构详解

TCP头部（20-60字节）

在这里插入图片描述
1. 基础标识字段

  • 源端口（Source Port）：16位，标识发送方应用程序进程
  • 目的端口（Destination Port）：16位，标识接收方应用程序进程
  • 序列号（Sequence Number）：32位，标识发送数据流中第一个字节的序号
  • 确认号（Acknowledgment Number）：32位，期望接收的下一个字节序号（仅当ACK=1时有效）

2. 控制字段

  • 头部长度（HL）：4位，以32位字为单位计算头部长度（最小值为5，对应20字节）
  • 保留位（Reserved）：6位，必须置0，为未来协议扩展保留
  • 控制标志（Control Flags）：6位，按顺序表示：
    • URG：紧急指针有效（置1时优先处理数据）
    • ACK：确认字段有效（建立连接后必须置1）
    • PSH：推送功能请求（要求立即提交数据到应用层）
    • RST：连接重置（强制中止异常连接）
    • SYN：同步序列号（连接建立阶段使用）
    • FIN：数据传输结束（正常关闭连接）

3. 流量控制字段

  • 窗口大小（Window Size）：16位，声明接收窗口剩余容量（最大65535字节）
  • 紧急指针（Urgent Pointer）：16位，配合URG标志定位紧急数据末尾位置

4. 校验与扩展

  • 校验和（Checksum）：16位，覆盖伪头部+TCP头部+数据的CRC校验值
  • 选项（Options）：可变长度，支持：
    • 最大报文段大小（MSS）协商
    • 窗口缩放因子（Window Scaling）
    • 时间戳（Timestamp）
    • 选择性确认（SACK）
伪头部校验机制
 0                   1                   2                   30 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 IP Address                       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                     Destination IP Address                    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Zero  | Proto  |    TCP Length (包括头部和数据)               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  • 组成要素：源/目的IP地址（各32位）、协议类型（8位）、TCP报文总长度（16位）
  • 验证范围：IP层关键信息参与校验，防止路由篡改

2. UDP头部（固定8字节）

在这里插入图片描述

四、TCP连接管理机制

1. 三次握手建立连接

在这里插入图片描述

关键步骤：

  1. 客户端发送SYN包（随机初始化序列号x）
  2. 服务端返回SYN-ACK包（确认号x+1，随机序列号y）
  3. 客户端发送ACK包（确认号y+1），连接建立

2. 四次挥手释放连接

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关键状态迁移：

  • 客户端：FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT（等待2MSL）
  • 服务端：CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

为什么需要四次挥手？
TCP是全双工协议，需分别关闭两个方向的数据流：

  1. 客户端关闭发送通道（FIN）
  2. 服务端确认并关闭接收通道（ACK）
  3. 服务端关闭发送通道（FIN）
  4. 客户端确认并关闭接收通道（ACK）

五，实验复现

一、实验环境搭建

拓扑设计
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二、TCP三次握手复现（HTTP通信）

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  1. 启动抓包

    • 右键点击与路由器之间的链路 → 启动Wireshark抓包
    • 设置过滤器：tcp.port == 80

  2. 发起HTTP请求
    在这里插入图片描述

数据包分析报告：TCP连接与HTTP通信全流程
在这里插入图片描述

1. TCP三次握手建立连接
数据包源地址:端口目标地址:端口协议标志位序列号(Seq)确认号(Ack)说明
1192.168.1.10:2050192.168.2.20:80TCPSYN0-客户端发起连接请求
2192.168.2.20:80192.168.1.10:2050TCPSYN+ACK01服务端确认连接请求
3192.168.1.10:2050192.168.2.20:80TCPACK11客户端确认连接建立

关键点：

  • 序列号递增规则：SYN包占1个序号（Seq=0 → 下一包Seq=1）。
  • MSS协商：双方声明最大报文段长度（1460字节），基于MTU 1500字节（扣除IP和TCP头部）。
2. HTTP请求与响应
数据包源地址:端口目标地址:端口协议内容说明
4192.168.1.10:2050192.168.2.20:80HTTPGET / HTTP/1.1客户端请求根路径资源
5192.168.2.20:80192.168.1.10:2050HTTPHTTP/1.1 200 OK服务端返回HTML内容
6192.168.1.10:2050192.168.2.20:80TCPACK客户端确认收到HTTP响应

关键点：

  • HTTP协议特征：GET请求与200响应均通过TCP连接传输。
  • 数据长度：HTTP响应包长度361字节（含头部和HTML内容）。
3. TCP四次挥手断开连接
数据包源地址:端口目标地址:端口协议标志位序列号(Seq)确认号(Ack)说明
7192.168.1.10:2050192.168.2.20:80TCPFIN+ACK159308客户端发起断开请求
8192.168.2.20:80192.168.1.10:2050TCPACK308160服务端确认客户端的FIN
9192.168.2.20:80192.168.1.10:2050TCPFIN+ACK308160服务端发起断开请求
10192.168.1.10:2050192.168.2.20:80TCPACK160309客户端确认服务端的FIN

关键点： 。

  • 序列号与确认号规则：
    • 客户端发送FIN后，序列号递增至159（假设之前数据长度为158字节）。
    • 服务端确认号为160（159+1），符合Ack=Seq+1的规则。
4. 网络性能与延迟分析
阶段时间差说明
SYN → SYN-ACK15ms网络往返时间（RTT）约15ms
HTTP请求→响应78ms服务端处理请求耗时
FIN → FIN-ACK843ms客户端等待应用层释放资源后断开连接
三、UDP协议验证（模拟DNS查询）

  1. 配置DNS服务
    在这里插入图片描述

  2. 抓包设置

    • 过滤器：udp.port == 53

  3. 执行DNS查询
    在这里插入图片描述

DNS查询与响应抓包分析报告

在这里插入图片描述

1. 数据包概览

数据包时间戳源地址:端口目标地址:端口协议长度信息
211092.078000192.168.1.10:49153192.168.2.20:53DNS71字节查询 www.aaa.com 的A记录
231092.156000192.168.2.20:53192.168.1.10:49153DNS87字节响应 www.aaa.com → 192.168.2.20

2. 分层解析
2.1 数据包21（DNS查询）

  • 以太网层

    • 源MAC：54:89:98:53:50:b4（客户端）
    • 目的MAC：00:e0:fc:90:09:b9（DNS服务器/路由器）
    • 关键点：若跨子网通信，目的MAC可能为路由器接口MAC。

  • IP层

    • 源IP：192.168.1.10（客户端）
    • 目的IP：192.168.2.20（DNS服务器）
    • 关键点：客户端与DNS服务器位于不同子网（192.168.1.0/24 vs 192.168.2.0/24），需通过路由器转发。

  • UDP层

    • 源端口：49153（客户端临时端口）
    • 目的端口：53（DNS服务端口）
    • 关键点：DNS默认使用UDP，仅当响应过大时切换TCP。

  • DNS层

    • 事务ID：0x0000
    • 查询类型：A记录（IPv4地址）
    • 查询域名：www.aaa.com
    • 关键点：
      • 事务ID应为随机值（此处为0x0000，需检查是否为抓包工具显示问题或配置异常）。
      • 查询长度71字节，符合简单DNS查询的典型大小。

2.2 数据包23（DNS响应）

  • 以太网层

    • 源MAC：00:e0:fc:90:09:b9（DNS服务器/路由器）
    • 目的MAC：54:89:98:53:50:b4（客户端）

  • IP层

    • 源IP：192.168.2.20（DNS服务器）
    • 目的IP：192.168.1.10（客户端）

  • UDP层

    • 源端口：53（DNS服务端口）
    • 目的端口：49153（客户端临时端口）

  • DNS层

    • 事务ID：0x0000（与查询匹配）
    • 响应类型：A记录
    • 解析结果：www.aaa.com → 192.168.2.20
    • 关键点：
      • 响应长度87字节，包含查询结果和资源记录头部。
      • 若192.168.2.20为DNS服务器自身IP，可能是本地测试配置（如hosts文件或本地DNS记录）。
3. 完整DNS交互流程
客户端(192.168.1.10) 路由器 DNS服务器(192.168.2.20) DNS查询: www.aaa.com (UDP 53) 转发查询 DNS响应: 192.168.2.20 转发响应 客户端(192.168.1.10) 路由器 DNS服务器(192.168.2.20)

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编程日记 2025/7/17 1:48:31

运行：MSI Afterburner报错：应用程序无法启动并行配置不正确

从日志中可以看出&#xff0c;MSI Afterburner 运行时因缺少关键依赖组件&#xff08;Microsoft.VC90.MFC&#xff09;导致激活上下文生成失败。这是典型的 Visual C 运行时库缺失/版本不匹配 问题&#xff0c;与您提到的 for %1 in (%windir%\system32\*.dll) do regsvr32.exe…...

编程日记 2025/7/24 16:27:36

基于智能家居项目 ESP8266 WiFi 模块通信过程与使用方法详解

一、ESP8266 简介 ESP8266 是由乐鑫科技（Espressif）推出的一款低功耗、高集成度的 WiFi SoC 芯片。它内置 TCP/IP 协议栈，支持 STA（Station）、AP（Access Point）和 STA+AP 混合模式，可以独立作为主控 MCU 或配合其它主控（如 STM32、Arduino）通过串口通信使用。 常见…...

编程日记 2025/7/28 5:30:43

字节跳动开源通用图像定制模型DreamO,支持风格转换、换衣、身份定制、多条件组合等多种功能～

项目背景分析 图像定制是一个快速发展的领域&#xff0c;包括身份&#xff08;ID&#xff09;、风格、服装试穿&#xff08;Try-On&#xff09;等多种任务。现有研究表明&#xff0c;大规模生成模型在这些任务上表现出色&#xff0c;但大多数方法是任务特定的&#xff0c;难以推…...

编程日记 2025/7/22 11:10:50

Cursor：简单三步提高生成效率

第一步&#xff1a;结构化提示词——像写需求文档一样对话 常见误区&#xff1a;“做个知识管理模块&#xff0c;用SpringBoot。” 问题&#xff1a;AI会陷入迷茫——需要哪些字段&#xff1f;分页怎么做&#xff1f;异常处理是否需要&#xff1f; 正确写法&#xff1a; Note C…...

编程日记 2025/7/27 14:40:55

第二章 苍穹外卖

开发环境搭建_后端环境搭建_熟悉项目结构 constant:存储的是定义好的常量类 context&#xff1a;存储与上下文相关的 enumeration&#xff1a;存储枚举类 exception&#xff1a;存储一些异常 json&#xff1a;处理一些json转换的类 properties&#xff1a;存储一些配置类 …...

编程日记 2025/7/26 1:36:03

【上位机——WPF】命名空间

概述 XAML命名空间实际上是XML命名空间概念的扩展。指定XAML命名空间的技术依赖于XML命名空间语法、使用URL作为命名空间标识符的约定&#xff0c;使用前缀提供从同一标记源中引用多个命名空间的方法&#xff0c;诸如此类&#xff0c;XML命名空间的XAML定义中增加的主要概念是…...

编程日记 2025/7/25 17:19:42

当AI自我纠错：一个简单的“Wait“提示如何让模型思考更深、推理更强

原论文&#xff1a;s1: Simple test-time scaling 作者&#xff1a;Niklas Muennighoff, Zitong Yang, Weijia Shi等&#xff08;斯坦福大学、华盛顿大学、Allen AI研究所、Contextual AI&#xff09; 论文链接&#xff1a;arXiv:2501.19393 代码仓库&#xff1a;GitHub - simp…...

编程日记 2025/7/24 4:21:53

【聚类】 K-means

K-means 文章目录 K-means1. 算法介绍2. 公式及原理3. 伪代码1. 算法介绍 背景与目标 K-means 是最经典、最常用的原型聚类（prototype-based clustering）算法之一，由 Stuart Lloyd 于1957年提出，1982年被广泛推广。其核心目标是： 将给定的 n n n 个数据点划分为 K K K 个…...

编程日记 2025/7/26 7:22:13

matlab分段函数

在 MATLAB 中&#xff0c;定义分段函数可以使用 piecewise 函数或者条件语句&#xff08;如 if、else&#xff09;来实现。以下是两种常见方法的示例&#xff1a; 1. 使用 piecewise 函数&#xff08;适用于符号函数&#xff09; syms x f piecewise(x < 0, x^2, x > …...

编程日记 2025/7/26 1:42:45

《Vite 报错》ReferenceError: module is not defined in ES module scope

trip): [ReferenceError] module is not defined in ES module scope 解决方案 postcss.config.js 要改为 postcss.config.cjs&#xff0c;也就是 .cjs 后缀。 原因解析 原因解析 下图提示&#xff0c;packages.json 中的属性 type 设置为 module。所有*.js文件现在都被解释…...

编程日记 2025/7/17 5:08:02

基于matlab/simulink锂电池算法学习集合（SOC、SOH、BMS）

一、引言概述。 锂电池是目前在各个能源密集型行业中用途广泛&#xff0c;例如新能源汽车、电力微网、航空航天等。电池模型的建立对研究电池的特性、SOC(state-of-charge)估计、SOH(state-of-health)估计、BMS算法开发以及电池系统的快速实时仿真有重要的意义。 等效电路建模…...

编程日记 2025/7/18 20:13:42

10.8 LangChain三大模块深度实战：从模型交互到企业级Agent工具链全解析

LangChain Community 项目：Model I/O, Retrieval, Agent Tooling 关键词：LangChain Model I/O, 检索增强生成, Agent 工具链, 多路召回策略, 工具调用协议 1. Model I/O 模块：大模型交互标准化接口 Model I/O 是 LangChain 生态中连接大模型的核心模块，定义了统一的输入输…...

编程日记 2025/7/22 19:01:44

408考研逐题详解：2009年第16题

2009年第16题 某机器字长为 16 位&#xff0c;主存按字节编址&#xff0c;转移指令采用相对寻址&#xff0c;由两个字节组成&#xff0c;第一个字节为操作码字段&#xff0c;第二个字节为相对位移量字段。假定取指令时&#xff0c;每取一个字节 PC 自动加 1。若某转移指令所在…...

编程日记 2025/7/22 2:09:59

python打卡day29@浙大疏锦行

知识点回顾 类的装饰器装饰器思想的进一步理解&#xff1a;外部修改、动态类方法的定义&#xff1a;内部定义和外部定义 作业&#xff1a;复习类和函数的知识点&#xff0c;写下自己过去29天的学习心得&#xff0c;如对函数和类的理解&#xff0c;对python这门工具的理解等&…...

编程日记 2025/7/26 12:31:52