TCP/IP 傳輸層詳解

傳輸層（Transport Layer）是 TCP/IP 模型的第四層（對應 OSI 模型的傳輸層），核心功能是實現 端到端（進程到進程）的可靠通信。主要協議包括：

• TCP（傳輸控制協議）：面向連接、可靠傳輸
• UDP（用戶數據報協議）：無連接、高效傳輸

---

核心功能

功能	TCP	UDP
連接管理	三次握手建立連接，四次揮手斷開	無連接
可靠性	確認應答、重傳、排序	無可靠性保證
流量控制	滑動窗口機制	無
擁塞控制	慢啟動、擁塞避免等算法	無
數據單元	段（Segment）	數據報（Datagram）
頭部開銷	20~60 字節	8 字節

---

TCP 協議深度解析

1. TCP 段結構

 0                   1                   2                   3  0 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 (if any)           |    Padding    |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|                             Data                              |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  

• 關鍵字段：
  • 序列號（Seq）：數據字節流的編號
  • 確認號（Ack）：期望接收的下一個字節編號
  • 標志位：SYN（建立連接）、ACK（確認）、FIN（斷開連接）、RST（重置連接）
  • 窗口大小（Window）：流量控制參數

---

2. TCP 連接管理（三次握手與四次揮手）

為什么需要三次握手？
防止失效的連接請求突然傳到服務器（網絡延遲導致的歷史連接問題）

---

3. TCP 可靠性機制

• 關鍵機制：
  • 序列號/確認號：確保數據有序到達
  • 超時重傳：RTT動態計算超時時間
  • 滑動窗口：動態調整發送速率（流量控制）
  • 選擇性確認（SACK）：高效重傳丟失片段

---

4. TCP 擁塞控制

• 階段說明：
  1. 慢啟動：窗口從1 MSS開始指數增長
  2. 擁塞避免：窗口線性增長（加法增大）
  3. 快速重傳：收到3個重復ACK立即重傳
  4. 快速恢復：窗口減半后直接進入擁塞避免

---

UDP 協議解析

1. UDP 數據報結構

 0                   1                   2                   3  0 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        |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|            Length             |           Checksum            |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|                             Data                              |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  

• 特點：
  • 無連接：直接發送數據
  • 無可靠性機制：不保證順序和到達
  • 低延遲：頭部僅8字節
  • 支持廣播/多播

---

2. UDP 通信流程

---

端口（Port）機制

核心作用：區分同一主機上的不同應用程序

• 常見端口：
  • HTTP: 80, HTTPS: 443
  • FTP: 21, SSH: 22
  • DNS: 53, DHCP: 67/68

---

TCP/UDP 應用場景對比

場景	推薦協議	原因
網頁瀏覽	TCP	需要可靠傳輸HTML/CSS/JS
視頻直播	UDP	容忍丟包，追求低延遲
文件傳輸	TCP	數據完整性要求高
DNS查詢	UDP	短報文，快速響應
在線游戲	UDP	實時性優先于可靠性
電子郵件	TCP	保證郵件內容完整到達

---

Mermaid 綜合原理圖

TCP 端到端通信全流程

💡 傳輸層核心價值：

1. 為應用層屏蔽網絡復雜性（丟包、亂序、擁塞）
2. 通過端口機制實現多路復用
3. TCP/UDP 互補滿足不同場景需求
   “TCP提供可靠傳輸的管道，UDP提供高效的傳輸通道”