????????TCP（Transmission Control Protocol）與UDP（User Datagram Protocol）是 網絡通訊 中最基礎也最常用的兩種 傳輸層 協議。

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1. 簡介

????????TCP 是1974年由早期的NCP（Network Control Protocol）逐漸演化出來的概念。它在1980年被拆分成了現在常見的TCP與IP協議，形成經典的 TCP/IP 協議簇。后來，UDP 在 RFC 768（互聯網工程任務協會，Internet Engineering Task Force, IETF，發布的一個標準文件）中發布，用于減少延遲、適應簡單的請求或應答環境，如DNS（域名系統）。
????????90年代后，TCP 持續優化擁塞控制算法（如Tahoe、Reno、CUBIC），在萬兆與云計算場景中處于核心地位。而UDP則在實時音視頻、VoIP（基于IP的語音傳輸，一種語音通話技術)、在線游戲等領域被廣泛使用。

2. OSI 與 TCP/IP 模型中的定位

TCP/IP模型將傳統的OSI理論模型簡化為4層結構，傳輸層分為TCP/UDP兩種機制。

3. 協議原理與關鍵機制

3.1 UDP

【注】

• 源/目的端口： 標識進程級別的通信端點
• 長度： 頭部與數據總長度，最小8字節
• 校驗和： 包含偽首部，檢驗UDP頭與數據的完整性

【機制】

• 無握手： 發送即完成，無三次握手
• 無重傳： 丟包不重發、無擁塞控制，由上層應用決定策略。
• 場景： 實時音視頻、DNS查詢等。實時性要求高，應用自有可靠機制或可忽略丟包。

3.2 TCP

【注】

• 序列號 / 確認號： 實現可靠傳輸的核心，按字節計數流
• Flags： URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN等，控制連接的建立，終止與數據推送。
• 窗口大小： 流量控制的關鍵，接收方通告自己緩存區的剩余空間
• 選項： 常見有最大報文段MSS、時間戳、窗口縮放等，用于性能優化。

【機制】

• 三次握手（3-way Handshake）：
  ? ?1. 客戶端發送SYN，選擇輸出序列號x
  ? ?2. 服務端回應 SYN+ACK，確認號 x+1，并發送自己序列號 y
  ? ?3. 客戶端再發 ACK 確認號 y+1，一切就緒

• 四次揮手（4-way Teardown）：
  ? ?1. 發起方發送 FIN。
  ? ?2. 對方 ACK。
  ? ?3. 對方再發 FIN。
  ? ?4. 原方 ACK，等待 TIME-WAIT 結束后真正釋放。

• 重傳
  超時重傳（RTO）： 基于往返時間（RTT）估算，動態調整超時重傳定時器。
  快速重傳： 連續收到 3 個相同的ACK時，立即重傳疑似丟失的報文段，而無需等待超時。

• 擁塞控制算法
  ? ?1. 慢啟動： 指數增長擁塞窗口（cwnd），直到達到閾值
  ? ?2. 擁塞避免： 加法增大，線性增長cwnd
  ? ?3. 快速重傳與快速恢復： 檢測到丟包后，一方面減小閾值，一方面快速恢復到閾值區。
  ? ?4. CUBIC（linux默認），BBR（Google提出）等

5. 實踐：Socket 接口示例

下面以編程語言示例基礎的TCP和UDP的服務端與客戶端。

C語言

// UDP 客戶端示例：初始化并發送
int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
struct sockaddr_in serv;
memset(&serv, 0, sizeof(serv));
serv.sin_family = AF_INET;
serv.sin_port = htons(9000);
serv.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
char *msg = "Hello UDP";
sendto(sock, msg, strlen(msg), 0, (struct sockaddr*)&serv, sizeof(serv));// TCP 服務器示例：接受連接并回復
int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bind(sock, (struct sockaddr*)&serv, sizeof(serv));
listen(sock, 5);
int conn = accept(sock, NULL, NULL);
char buf[1024];
int len = recv(conn, buf, sizeof(buf), 0);
send(conn, "Hello TCP", 9, 0);
close(conn);

Go語言

// UDP Echo 服務器
addr, _ := net.ResolveUDPAddr("udp", ":9000")
conn, _ := net.ListenUDP("udp", addr)
buf := make([]byte, 1024)
for {n, remote, _ := conn.ReadFromUDP(buf)conn.WriteToUDP(buf[:n], remote)
}// TCP 客戶端
conn, _ := net.Dial("tcp", "localhost:8000")
fmt.Fprintln(conn, "Hello TCP")
response, _ := bufio.NewReader(conn).ReadString('\n')
fmt.Println("Server replied:", response)

Python語言

# UDP 客戶端
import socket
udp = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
udp.sendto(b"Ping", ("localhost", 9000))
msg, _ = udp.recvfrom(1024)
print(msg)# TCP 服務器
import socket
srv = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
srv.bind(("0.0.0.0", 8000))
srv.listen(1)
conn, addr = srv.accept()
data = conn.recv(1024)
conn.sendall(b"Hello TCP")
conn.close()

6. 調優

1. TIME_WAIT消耗： 大量短連接會產生大量的TIME_WAIT，建議啟動連接復用、長連接或HTTP/2多路復用。
2. MTU與分片： 超大UDP報文易被分片丟棄，建議應用層自行分片與重組。
3. Nagle算法： TCP默認啟用Nagle，合并小包，可能會增加延遲，需要根據場景選擇是否禁用。
4. 內核緩沖區調整： 高帶寬-時延環境下，增大send/recv緩沖區以避免吞吐瓶頸。
5. 擁塞算法： Linux默認CUBIC，若要更低時延可使用BBR。