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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 2025/5/19 5:23:59

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

在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

二、TCP三次握手复现（HTTP通信）

在这里插入图片描述

  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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