网络编程——TCP和UDP详细讲解
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。
特别感谢@frozendure绘制的图片。
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：
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
特别感谢@frozendure绘制的图片和说明。