文章目錄
- TCP/UDP全面詳解
- 什么是TCP和UDP？
- TCP如何保證可靠性？
- 1. 序列號（Sequence Number）
- 2. 確認應答（ACK）
- 3. 超時重傳（Timeout Retransmission）
- 4. 窗口控制（Sliding Window）
- 5. 快速重傳（Fast Retransmit）
- 三次握手（建立連接）
- 四次揮手（斷開連接）
- 為什么是三次握手？為什么是四次揮手？
- 三次握手的原因
- 四次揮手的原因
- TCP和UDP特點
- TCP擁塞控制
- 一、慢啟動（Slow Start）
- 舉例：
- 二、擁塞避免（Congestion Avoidance）
- 舉例：
- 三、超時重傳與慢啟動重啟
- 處理方法：
- 四、快速重傳與快速恢復（Fast Retransmit & Fast Recovery）
- 快速重傳行為：
- 快速恢復行為：
- 擁塞控制減慢增長速度的條件總結
- 擁塞控制會減慢增長速度的時機：
- TCP/IP 數據鏈路層的交互過程簡述
- TCP 和 UDP 如何區分？
- UDP 中的 `connect()` 函數原理
- `connect()` 的作用：
- TCP連接中的 TIME_WAIT 狀態詳解
- 一、TIME_WAIT 狀態如何產生？
- 二、TIME_WAIT 的兩個核心作用
- 1. 確保連接的可靠關閉
- 2. 避免舊連接干擾新連接
- 三、TIME_WAIT 的副作用與優化
- ? 解決方法：
- TCP的模型
TCP/UDP全面詳解
什么是TCP和UDP？
TCP（Transmission Control Protocol）叫傳輸控制協議，是面向連接、可靠傳輸的協議。
UDP（User Datagram Protocol）叫用戶數據報協議，是無連接、盡最大努力交付的協議。
一句話總結：
- TCP可靠但慢，像寄快遞（要簽收、確認收貨）
- UDP快速但可能丟失，像發傳單（發了就發了，收不收無所謂）
TCP如何保證可靠性？
TCP為了確保數據能安全、完整送到對方，設計了很多機制，主要有：
1. 序列號（Sequence Number）
每發送一段數據，TCP都會打個"編號"。
比如發送第一包數據編號1001，第二包編號2001，接收方按照編號順序排列，避免了丟包、亂序問題。
2. 確認應答（ACK）
接收方收到數據后，會回一條確認信息（ACK），告訴發送方：“我收到了！下一包從xxxx開始發。”
如果發送方遲遲收不到確認，就會懷疑數據丟了。
3. 超時重傳（Timeout Retransmission）
如果一定時間（超時）還沒收到確認，發送方就自動重發。
一般超時時間 = 2 × RTT（往返時延）+ 偏差值。
4. 窗口控制（Sliding Window）
為了提高速度，TCP可以同時發多包，不需要一包一確認。
窗口大小定義了一次可以連續發送多少數據而不用等確認。
小例子：
窗口大小=3，發送方可以連續發第1包、第2包、第3包數據，不用等第1包的確認就發第2包！
5. 快速重傳（Fast Retransmit）
如果連續收到3個相同的ACK（比如一直提示1001未收到），發送方立刻重發缺失的數據段，而不用等超時。
三次握手（建立連接）
- 客戶端發送SYN報文，請求建立連接（SYN=1，seq=J）。
- 服務器收到后，發送SYN+ACK報文，表示接受（SYN=1，ACK=1，seq=K，ack=J+1）。
- 客戶端再回一個ACK報文，確認連接建立（ACK=1，ack=K+1）。
三次握手后，雙方就可以正式通信了。
特別感謝@frozendure繪制的圖片。
四次揮手（斷開連接）
- 客戶端發FIN報文，請求斷開（主動關閉）。
- 服務器收到后，回ACK確認（被動關閉）。
- 服務器數據發完后，也發FIN報文。
- 客戶端收到FIN后，回ACK確認，進入TIME_WAIT等待一段時間后徹底關閉。
小圖示：
為什么是三次握手？為什么是四次揮手？
三次握手的原因
- 防止陳舊連接（老舊、失效的請求包）誤建立連接。
- 確保雙方收發能力正常。
如果只兩次握手，可能因為網絡延遲，服務器誤認為客戶端還想建立新連接，導致資源浪費。假設兩次握手時，A發出的第一個請求連接報文段在某一網絡節點長時間滯留，以致延誤到連接釋放后才到達B。B收到失效的連接請求報文段后，認為是A又發出一次新的連接請求。于是向A發送確認報文段，同意建立連接，此時在假定兩次握手的前提下，連接建立成功。這樣會導致B的資源白白浪費
假設兩次握手時，A發出一個請求報文段，但發送過后A就因為問題而導致下線。之后B收到了A發來的請求連接報文段，給A發送確認報文段，同意建立連接，此時在假定兩次握手的前提下，連接建立成功。這樣會導致B的資源白白浪費
- 第一次握手（客戶端發送SYN）：保證客戶端能夠發送數據。
- 第二次握手（服務器發送SYN-ACK）：保證服務器能夠接收并發送數據。
- 第三次握手（客戶端發送ACK）：保證客戶端能夠接收數據。
四次揮手的原因
- TCP是全雙工，發送和接收需要分別關閉。
- 一方關閉發送，不代表另一方立即也關閉發送，因此需要兩次FIN和兩次ACK，確保雙方都完成通信。
TCP和UDP特點
| 項目 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 是否連接 | 面向連接（需三次握手） | 無連接 |
| 可靠性 | 可靠，具備確認應答、重傳機制 | 不可靠，盡力而為 |
| 傳輸速度 | 較慢（因連接建立和狀態維護） | 較快（無需連接、開銷小） |
| 傳輸單位 | 字節流（Stream） | 數據報（Datagram） |
| 是否順序 | 保證順序到達 | 不保證順序 |
| 占用資源 | 較多（需維護連接狀態） | 較少 |
| 安全性 | 容易受到SYN洪水攻擊等 | 較少攻擊面 |
| 優點 | 可靠性高、順序到達 | 快速、資源開銷小 |
| 缺點 | 速度慢、資源占用高、易被攻擊 | 不可靠、易丟包、亂序 |
| 適用場景 | 要求高可靠性，能容忍延遲 | 要求實時性強，容忍丟包 |
| 應用實例 | 文件傳輸（FTP）、發送郵件（SMTP）、網頁瀏覽（HTTP） | 視頻通話（VoIP）、在線視頻直播、網絡游戲、廣播 |
TCP擁塞控制
在 TCP 通信中，如果發送端窗口設置過大，會在短時間內發送大量數據，這可能導致中間路由器和接收端緩沖區被擠爆，進而引發丟包、重傳等問題。TCP 擁塞控制是指通過動態調整數據發送速率，避免過多的數據包涌入網絡，從而引起網絡擁堵甚至網絡癱瘓的一種機制。
因此，TCP 引入了擁塞控制窗口（cwnd），并采用如下四種主要算法動態調整窗口大小：
一、慢啟動（Slow Start）
- 初始化擁塞窗口 cwnd = 1（以 MSS 為單位）。
- 每收到一個確認應答（ACK），就將 cwnd 翻倍（即指數增長）。
- 每經過一個 RTT，cwnd *= 2。
舉例：
- 第一個 RTT：cwnd = 1
- 第二個 RTT：cwnd = 2
- 第三個 RTT：cwnd = 4
- 第四個 RTT：cwnd = 8
? 優點：快速提高網絡利用率
? 缺點：指數增長可能迅速導致擁塞
二、擁塞避免（Congestion Avoidance）
當 cwnd 達到慢啟動閾值 ssthresh（一般初始值為 65536 字節），就不再使用慢啟動的指數增長，而是進入擁塞避免階段。
- 每經過一個 RTT，僅將 cwnd 加 1（線性增長）。
- 防止窗口增長過快引發網絡擁塞。
舉例：
- cwnd = 64，到達 ssthresh
- 后續每次 ACK，cwnd = cwnd + 1/cwnd ≈ 每 RTT 增加 1
三、超時重傳與慢啟動重啟
如果出現報文段超時未收到 ACK，TCP 認為網絡出現擁塞。
處理方法：
- 將
ssthresh設置為當前 cwnd 的一半； - 將 cwnd 設為 1；
- 重新進入慢啟動階段。
🔁 這是 TCP 的自我修復機制，避免持續擁塞。
四、快速重傳與快速恢復（Fast Retransmit & Fast Recovery）
如果收到 3 個重復的 ACK（即 ACK 重復了 3 次），TCP 認為某個報文段丟失。
快速重傳行為：
- 立即重傳丟失的段，而不是等待超時。
快速恢復行為：
- ssthresh = 當前 cwnd / 2；
- cwnd = ssthresh + 3（體現網絡尚可）；
- 進入擁塞避免階段（不再重回慢啟動）；
? 快速恢復保持了中等的發送速率，防止性能大幅下降。
擁塞控制減慢增長速度的條件總結
擁塞控制會減慢增長速度的時機：
- cwnd 超過 ssthresh：
- 進入擁塞避免階段，從指數增長變為線性增長。
- 發生超時重傳：
- 表明網絡嚴重擁塞，立即進入慢啟動（cwnd 重置為 1）。
- 收到 3 個重復 ACK：
- 進入快速重傳，cwmd 縮減并進入擁塞避免。
TCP/IP 數據鏈路層的交互過程簡述
當 IP 層向數據鏈路層（如以太網）傳遞數據時：
- 查找 ARP 緩存：查找目標 IP 對應的 MAC 地址；
- 若存在，直接封裝 MAC 地址；
- 若不存在，發起 ARP 廣播請求；
- 接收到 IP 匹配的設備返回自己的 MAC 地址；
- 使用該 MAC 地址封裝鏈路層幀，完成數據發送。
TCP 和 UDP 如何區分？
傳輸層協議由 IP 協議頭中的 Protocol 字段決定：
- TCP：值為 6
- UDP：值為 17
操作系統根據協議和端口號，將報文傳遞給對應的應用程序。
UDP 中的 connect() 函數原理
connect() 的作用：
- 記錄對端 IP 與端口號；
- 發送數據時不再需要 sendto() 指定地址，可以使用 write()、send()；
- 接收數據時只接受來自該對端的數據；
- 可接收異步錯誤信息；
- 丟棄來自其他地址的包。
? 用于長期通信（如 TFTP）或希望使用 TCP 接口風格的場景。
TCP連接中的 TIME_WAIT 狀態詳解
一、TIME_WAIT 狀態如何產生？
- 主動關閉連接的一方（client）發送最后一個 ACK 后進入
TIME_WAIT； - 保持 2 * MSL 時間后釋放連接；
- MSL（Maximum Segment Lifetime）：報文段在網絡中的最大生存時間。
二、TIME_WAIT 的兩個核心作用
1. 確保連接的可靠關閉
- 若最后一個 ACK 丟失，server 會重發 FIN；
- client 能在
TIME_WAIT狀態中接收該 FIN，并再次回復 ACK； - 保證被動關閉方正常結束連接。
2. 避免舊連接干擾新連接
- 如果不等待，可能使用相同四元組快速建立新連接；
- 網絡中仍存在舊連接的數據包，可能被誤接收，導致數據錯亂；
- 2MSL 等待時間保證舊數據失效。
三、TIME_WAIT 的副作用與優化
- 占用端口資源；
- 影響服務器重啟；
? 解決方法：
設置套接字選項 SO_REUSEADDR，允許 TIME_WAIT 狀態的端口被重復綁定。
TCP的模型
四層TCP/IP模型如下，包括應用層、網絡層、數據鏈路層、物理層
特別感謝@frozendure繪制的圖片和說明。
