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TCP/UDP传输过程

news 来源：原创 2025/5/15 8:48:58

一、TCP消息发送全流程（以网页加载为例）

场景模拟

客户端：IP地址 192.168.1.100，浏览器访问 http://www.example.com
服务器：IP地址 93.184.216.34（www.example.com），监听端口 80

详细步骤

1. 建立连接：三次握手

步骤 1：客户端发送 SYN 包（主动打开）

[以太网帧] 目标MAC: 路由器MAC | 源MAC: 客户端MAC
[IP头部] 源IP: 192.168.1.100 | 目标IP: 93.184.216.34 | TTL: 64
[TCP头部]
  - 源端口: 54321（随机临时端口）
  - 目标端口: 80
  - 序列号（seq）: 1000（随机初始值）
  - 标志位: SYN=1（请求建立连接）
  - 窗口大小: 65535（初始接收窗口）

物理层行为：客户端网卡将数据包发送到默认网关（路由器）。

步骤 2：服务器回复 SYN-ACK 包
```
[TCP头部]
  - 源端口: 80
  - 目标端口: 54321
  - 序列号（seq）: 5000（服务器初始序列号）
  - 确认号（ack）: 1001（客户端seq+1）
  - 标志位: SYN=1, ACK=1
  - 窗口大小: 8192
```
服务器行为：
- 检查目标端口 80 是否有进程监听（如Nginx）。
- 创建新的 TCP 连接控制块（TCB），记录客户端IP和端口。
- 分配缓冲区，准备接收数据。
步骤 3：客户端发送 ACK 包（连接建立完成）
```
[TCP头部]
  - 标志位: ACK=1
  - 序列号（seq）: 1001（初始seq+1）
  - 确认号（ack）: 5001（服务器seq+1）
```
客户端行为：
- 进入 ESTABLISHED 状态，开始发送应用数据。
- 若未收到 SYN-ACK，重试 SYN 包（默认最多重试5次）。

2. 数据传输：HTTP请求与响应

步骤 4：客户端发送 HTTP GET 请求
```
[TCP头部]
  - 序列号（seq）: 1001
  - 确认号（ack）: 5001
  - 标志位: ACK=1, PSH=1（推送数据）
[HTTP数据] 
  GET /index.html HTTP/1.1
  Host: www.example.com
  User-Agent: Chrome/120.0
```
数据分片规则：
- 假设数据总长度 500字节，MSS（最大分段大小）为 1460字节，无需分片。
- 若数据超过 MSS，TCP 层会分片（如 seq=1001:2461，seq=2461:3921）。
步骤 5：服务器确认数据接收（ACK）
```
[TCP头部]
  - 序列号（seq）: 5001
  - 确认号（ack）: 1001 + 500 = 1501
  - 标志位: ACK=1
```
服务器行为：
- 将数据存入接收缓冲区，通知应用层（Nginx）读取。
- 若客户端未收到 ACK，在超时（如 200ms）后重传数据。
步骤 6：服务器发送 HTTP 响应
```
[TCP头部]
  - 序列号（seq）: 5001
  - 确认号（ack）: 1501
  - 标志位: ACK=1, PSH=1
[HTTP数据]
  HTTP/1.1 200 OK
  Content-Length: 1300
  <html>...</html>
```
数据分片示例：
- 若响应数据 1300字节，分为两段发送：
  - 第一段：seq=5001:6461（长度1460字节）
  - 第二段：seq=6461:6561（剩余100字节）。
步骤 7：客户端确认响应数据
```
[TCP头部]
  - 序列号（seq）: 1501
  - 确认号（ack）: 5001 + 1300 = 6301
  - 标志位: ACK=1
```
客户端行为：
- 将数据重组后传递给浏览器渲染。
- 若服务器未收到 ACK，重传最后一个数据段。

3. 关闭连接：四次挥手

步骤 8：客户端发送 FIN 包（主动关闭）
```
[TCP头部]
  - 序列号（seq）: 1501
  - 确认号（ack）: 6301
  - 标志位: FIN=1, ACK=1
```
客户端状态转换：ESTABLISHED → FIN_WAIT_1

步骤 9：服务器回复 ACK 包

[TCP头部]
  - 序列号（seq）: 6301
  - 确认号（ack）: 1502（客户端seq+1）
  - 标志位: ACK=1

服务器状态转换：ESTABLISHED → CLOSE_WAIT

步骤 10：服务器发送 FIN 包（被动关闭）

[TCP头部]
  - 序列号（seq）: 6301
  - 确认号（ack）: 1502
  - 标志位: FIN=1, ACK=1

服务器状态转换：CLOSE_WAIT → LAST_ACK

步骤 11：客户端回复 ACK 包
```
[TCP头部]
  - 序列号（seq）: 1502
  - 确认号（ack）: 6302（服务器seq+1）
  - 标志位: ACK=1
```
客户端状态转换：FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT（等待2MSL，如60秒后关闭）

二、UDP消息发送全流程（以DNS查询为例）

场景模拟

客户端：IP 192.168.1.100，查询 www.google.com 的IP地址
DNS服务器：IP 8.8.8.8（Google Public DNS），端口 53

详细步骤

1. 构造DNS查询报文

应用层：生成DNS查询请求

[DNS报文]
  - Transaction ID: 0x3a8f
  - Flags: 递归查询（RD=1）
  - Questions: 1（查询www.google.com的A记录）

传输层：封装为UDP数据报

[UDP头部]
  - 源端口: 49152（客户端随机临时端口）
  - 目标端口: 53
  - 长度: 8（UDP头） + 40（DNS数据） = 48字节
  - 校验和: 0x2e45（计算覆盖伪头部+UDP头+数据）
[数据部分] DNS查询报文（40字节）

网络层：封装为IP数据包

[IP头部]
  - 源IP: 192.168.1.100
  - 目标IP: 8.8.8.8
  - 协议字段: 17（UDP）
  - TTL: 64

链路层：封装为以太网帧

[以太网帧]
  - 目标MAC: 默认网关MAC（如路由器）
  - 源MAC: 客户端网卡MAC
  - 类型: 0x0800（IPv4）

2. 发送数据包（无连接建立）

客户端行为：
- 直接发送UDP数据包到 8.8.8.8:53。
- 不等待任何确认，继续执行其他任务。
网络传输过程：
- 路由器根据目标IP 8.8.8.8 查找路由表，通过ISP转发。
- 若中间路由器拥塞，可能直接丢弃数据包（UDP无重传机制）。

3. DNS服务器处理请求

服务器接收：

[校验和验证]
  - 计算伪头部（源IP、目标IP、协议、UDP长度）+ UDP头 + 数据。  
  - 若校验和错误，静默丢弃数据包。

服务器行为：

解析DNS查询，查找 www.google.com 的A记录（如 142.250.189.196）。

构造响应报文：

[DNS响应]
  - Transaction ID: 0x3a8f（与请求匹配）
  - Flags: 响应（QR=1），递归可用（RA=1）
  - Answer: 1条A记录（142.250.189.196）

服务器发送响应：

[UDP数据报]
  - 源端口: 53
  - 目标端口: 49152
  - 长度: 8 + 60 = 68字节
  - 校验和: 0x5d21
[IP头部]
  - 源IP: 8.8.8.8
  - 目标IP: 192.168.1.100

4. 客户端接收响应（或超时处理）

成功接收：
- 客户端校验和验证通过后，提取 142.250.189.196，完成DNS解析。

丢包场景：

若响应包丢失，客户端等待超时（如 5秒）后重发查询。

示例重传：

第1次发送: T=0s → 未收到响应  
第2次发送: T=5s → 仍未响应  
第3次发送: T=10s → 成功接收

三、TCP与UDP对比的关键细节

动作	TCP	UDP
连接建立	需要三次握手，消耗1.5 RTT	无握手，直接发送
数据传输可靠性	每个包必须确认，超时重传	无确认，不保证到达
数据顺序	接收端按序列号排序	可能乱序到达
头部开销	20字节（基础）+ 可选字段	固定8字节
流量控制	通过窗口大小动态调整	无控制，依赖应用层
拥塞控制	慢启动、拥塞避免、快速重传	无，可能加剧网络拥塞

四、技术细节补充

TCP的序列号与确认号
- 序列号：标识数据段的第一个字节的编号（如 seq=1001 表示数据从第1001字节开始）。
- 确认号：期望收到的下一个字节编号（如 ack=1501 表示已正确接收前1500字节）。

UDP校验和计算

伪头部：包含源IP、目标IP、协议号（17）、UDP长度，用于防止路由错误。

计算示例：

# 伪头部 + UDP头 + 数据
pseudo_header = src_ip + dst_ip + protocol + udp_length
checksum_data = pseudo_header + udp_header + payload
# 按16位字求和，取反码

TCP状态机
- 客户端典型状态流：
  CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED
- 服务器典型状态流：
  CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

五、实际抓包示例（Wireshark模拟）

TCP三次握手：

No.  Time      Source           Destination      Protocol Info
1    0.000000 192.168.1.100    93.184.216.34    TCP      54321 → 80 [SYN] Seq=1000
2    0.102345 93.184.216.34    192.168.1.100    TCP      80 → 54321 [SYN, ACK] Seq=5000 Ack=1001
3    0.204678 192.168.1.100    93.184.216.34    TCP      54321 → 80 [ACK] Seq=1001 Ack=5001

UDP DNS查询：

No.  Time      Source           Destination      Protocol Info
4    1.500000 192.168.1.100    8.8.8.8          UDP      49152 → 53 Len=48
5    1.602345 8.8.8.8          192.168.1.100    UDP      53 → 49152 Len=68

通过以上详细示例，可以清晰看到TCP如何通过握手、分段确认实现可靠传输，而UDP如何以极简方式实现快速通信。实际开发中需根据场景权衡选择协议。