《UNIX網絡編程卷1：套接字聯網API》第2章 傳輸層：TCP、UDP和SCTP

《UNIX網絡編程卷1：套接字聯網API》第2章 傳輸層：TCP、UDP和SCTP

2.1 傳輸層的核心作用與協議選型

傳輸層是網絡協議棧中承上啟下的核心層，直接決定應用的通信質量。其主要職責包括：

  • 端到端通信：屏蔽底層網絡細節，為應用提供邏輯通信通道；
  • 可靠性保障（TCP/SCTP）：通過確認、重傳、擁塞控制等機制確保數據完整；
  • 多路復用與分用：通過端口號區分不同應用進程；
  • 流量控制：防止發送方壓垮接收方緩沖區。

協議選型黃金法則：

  • TCP：需要可靠傳輸、數據順序性的場景（如文件傳輸、HTTP）；
  • UDP：低延遲、容忍丟包、強調實時性的場景（如視頻會議、DNS查詢）；
  • SCTP：多宿主容災、多流并發、消息邊界保留的場景（如5G核心網信令）。
2.2 TCP協議深度解析
2.2.1 TCP頭部結構與字段詳解

TCP頭部由20字節固定部分和可變選項組成，其結構如下（圖2-1）：

 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 Port          |       Destination Port        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Sequence Number                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Acknowledgment Number                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
| Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
|       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Checksum            |         Urgent Pointer        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options (可變長度)                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

關鍵字段解析：

  • 序列號（Sequence Number）：32位，標識數據段的第一個字節的編號；
  • 確認號（Acknowledgment Number）：32位，期望收到的下一個字節的編號；
  • 窗口大小（Window）：16位，接收方的可用緩沖區大小（流量控制核心）；
  • 標志位：
    • SYN：發起連接；
    • ACK：確認數據；
    • FIN：關閉連接；
    • RST：強制重置連接；
    • URG：緊急指針有效。
2.2.2 TCP連接管理：三次握手與四次揮手

  1. 三次握手建立連接（圖2-2）：

    客戶端                            服務器|-------- SYN（seq=100） ------->||<-- SYN+ACK（seq=300, ack=101）--||-------- ACK（ack=301） -------->|
    • 序列號隨機化：防止歷史報文干擾（RFC 6528）；
    • 半連接隊列：服務器在SYN_RCVD狀態維護未完成握手隊列。

  2. 四次揮手終止連接（圖2-3）：

    主動關閉方                        被動關閉方|-------- FIN（seq=200） ------->||<-------- ACK（ack=201）--------||<-------- FIN（seq=500）--------||-------- ACK（ack=501） ------->|
    • TIME_WAIT狀態：主動關閉方等待2MSL（最大報文段生存時間），防止舊報文干擾新連接；
    • 孤兒連接：被動關閉方在CLOSE_WAIT狀態需及時關閉。

代碼示例：TCP服務器監聽連接

int listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(9999);Bind(listenfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));
Listen(listenfd, LISTENQ); // LISTENQ通常設置為SOMAXCONN
2.2.3 流量控制與擁塞控制

  1. 流量控制：

    • 滑動窗口協議：接收方通過窗口字段通告可用緩沖區大小；
    • 零窗口探測：發送方定時發送1字節數據，避免死鎖。

  2. 擁塞控制：

    • 慢啟動（Slow Start）：窗口指數增長至閾值；
    • 擁塞避免（Congestion Avoidance）：窗口線性增長；
    • 快速重傳（Fast Retransmit）：收到3個重復ACK立即重傳；
    • 快速恢復（Fast Recovery）：避免窗口重置為1。

內核參數調優（Linux示例）：

# 調整接收緩沖區大小
sysctl -w net.ipv4.tcp_rmem='4096 87380 6291456'
# 啟用BBR擁塞控制算法
sysctl -w net.ipv4.tcp_congestion_control=bbr
2.3 UDP協議特性與編程實踐
2.3.1 UDP頭部結構

UDP頭部僅8字節（圖2-4）：

 0      7 8     15 16    23 24    31  
+--------+--------+--------+--------+
|    源端口      |    目的端口       |
+--------+--------+--------+--------+
|      長度      |     校驗和       |
+--------+--------+--------+--------+
|           數據（若有）            |
+-----------------------------------+

核心特點：

  • 無連接：無需握手，直接發送數據報；
  • 無可靠性保證：不重傳、不排序、不擁塞控制；
  • 數據報邊界保留：每個sendto對應一個完整報文。
2.3.2 UDP編程核心挑戰
  1. 報文丟失處理：需應用層實現超時重傳與確認機制；
  2. 亂序處理：為每個報文添加序列號；
  3. MTU限制：避免IP分片（通常限制為1472字節，1500-20-8）。

代碼示例：UDP時間服務器

int sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(9999);Bind(sockfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));char buff[MAXLINE];
struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t len = sizeof(cliaddr);for (;;) {int n = Recvfrom(sockfd, buff, MAXLINE, 0, (SA*)&cliaddr, &len);time_t ticks = time(NULL);snprintf(buff, sizeof(buff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));Sendto(sockfd, buff, strlen(buff), 0, (SA*)&cliaddr, len);
}
2.3.3 UDP的適用場景
  • 實時音視頻傳輸（如WebRTC）：容忍丟包，但要求低延遲；
  • DNS查詢：單次請求響應，無連接開銷；
  • 廣播/多播通信：向多個接收者高效發送數據。
2.4 SCTP協議：下一代傳輸協議
2.4.1 SCTP核心特性
  • 多宿主（Multi-homing）：一個端點可綁定多個IP地址，提升容災能力；
  • 多流（Multi-streaming）：獨立的數據流避免隊頭阻塞；
  • 消息邊界保留：基于消息而非字節流；
  • 四次握手關聯建立：抵御SYN洪泛攻擊。
2.4.2 SCTP關聯建立與關閉

  1. 四次握手建立關聯（圖2-5）：

    客戶端                            服務器|-------- INIT（隨機數A） ------->||<------- INIT-ACK（隨機數B）-----||------- COOKIE-ECHO（加密Cookie）>||<------- COOKIE-ACK ------------|
    • 狀態Cookie：服務器不保存狀態，防止DDoS攻擊。

  2. 優雅關閉關聯：

    主動關閉方                        被動關閉方|-------- SHUTDOWN -------------->|<------- SHUTDOWN-ACK -----------||<------- SHUTDOWN-COMPLETE ------|

代碼示例：SCTP單流服務器

int listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_SEQPACKET, IPPROTO_SCTP);struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(9999);Bind(listenfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));struct sctp_event_subscribe events;
bzero(&events, sizeof(events));
events.sctp_data_io_event = 1; // 啟用數據IO事件
Setsockopt(listenfd, IPPROTO_SCTP, SCTP_EVENTS, &events, sizeof(events));Listen(listenfd, LISTENQ);
2.5 協議對比與選型指南
特性TCPUDPSCTP
連接方式面向連接無連接面向關聯
可靠性可靠不可靠可靠
數據邊界無有有
傳輸模式字節流數據報消息流
多路徑支持否否是（多宿主）
典型應用HTTP、FTP、SSHDNS、QUIC、實時音視頻5G信令、VoLTE

選型建議：

  • 嵌入式設備：優先UDP（資源占用低），復雜場景用TCP；
  • 高可用服務：SCTP多宿主特性提升容災能力；
  • 實時系統：UDP+應用層協議（如RTSP）。
2.6 實戰：多協議時間服務器
2.6.1 TCP時間服務器

（代碼參考第1章示例）

2.6.2 UDP時間服務器
#include "unp.h"
#include <time.h>int main() {int sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);struct sockaddr_in servaddr;bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port = htons(9999);Bind(sockfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));char buff[MAXLINE];struct sockaddr_in cliaddr;socklen_t len;for (;;) {len = sizeof(cliaddr);Recvfrom(sockfd, buff, MAXLINE, 0, (SA*)&cliaddr, &len);time_t ticks = time(NULL);snprintf(buff, sizeof(buff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));Sendto(sockfd, buff, strlen(buff), 0, (SA*)&cliaddr, len);}
}
2.6.3 SCTP時間服務器
#include "unp.h"
#include <netinet/sctp.h>
#include <time.h>int main() {int sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_SEQPACKET, IPPROTO_SCTP);struct sockaddr_in servaddr;bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port = htons(9999);Bind(sockfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));struct sctp_event_subscribe events;bzero(&events, sizeof(events));events.sctp_data_io_event = 1;Setsockopt(sockfd, IPPROTO_SCTP, SCTP_EVENTS, &events, sizeof(events));Listen(sockfd, LISTENQ);struct sockaddr_in cliaddr;char buff[MAXLINE];for (;;) {socklen_t len = sizeof(cliaddr);int connfd = Accept(sockfd, (SA*)&cliaddr, &len);time_t ticks = time(NULL);snprintf(buff, sizeof(buff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));Write(connfd, buff, strlen(buff));Close(connfd);}
}
2.7 調試工具與性能分析
2.7.1 Wireshark抓包分析
  • TCP流追蹤：右鍵報文 → Follow → TCP Stream；
  • UDP過濾：udp.port == 9999；
  • SCTP關聯分析：sctp.association_id。
2.7.2 網絡性能測試
  • TCP吞吐量測試：
    # 服務器端
iperf3 -s
# 客戶端
iperf3 -c 192.168.1.100 -t 30
  • UDP丟包率測試：
    iperf3 -u -c 192.168.1.100 -b 100M -t 20
2.8 本章小結與進階習題

小結：本章深入解析了TCP、UDP、SCTP的協議機制與編程實踐，通過對比分析指導協議選型，為復雜網絡應用開發奠定基礎。

習題：

  1. 實現SCTP多流客戶端，驗證不同流的獨立性；
  2. 使用UDP實現可靠文件傳輸協議（含ACK與超時重傳）；
  3. 分析TCP BBR與CUBIC擁塞控制算法的差異，編寫測試報告。

付費用戶專屬資源：

  • 完整多協議時間服務器代碼工程；
  • Wireshark抓包文件（標注關鍵字段）；
  • 擴展閱讀：《SCTP在5G核心網中的實踐》。

通過本章學習，讀者將掌握傳輸層協議的核心原理，并能夠根據場景需求選擇最佳協議，設計高效可靠的網絡應用。

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