TCP 与 UDP报文

** TCP 与 UDP报文**

1. 引言

在网络通信中,TCP(传输控制协议) 和 UDP(用户数据报协议) 是两种最核心的传输层协议。它们各自适用于不同的场景,理解其工作原理对开发高性能网络应用至关重要。本文将详细解析:


2. TCP 协议详解

2.1 TCP 报文结构

TCP 报文由 头部(Header) 和 数据(Data) 两部分组成,其头部固定为 20 字节(可扩展至 60 字节)。以下是关键字段解析:

字段 长度(比特) 说明
源端口(Source Port) 16 发送方的端口号(如 HTTP 默认 80)。
目标端口(Destination Port) 16 接收方的端口号(如 SSH 默认 22)。
序列号(Sequence Number) 32 当前报文段第一个字节的序号,用于数据排序和重组。
确认号(Acknowledgment Number) 32 期望接收的下一个字节序号,用于可靠传输(ACK 标志为 1 时有效)。
数据偏移(Data Offset) 4 TCP 头部长度(以 4 字节为单位),最小 5(20 字节),最大 15(60 字节)。
控制位(Flags) 6 包括 SYNACKFINRST 等标志位(见下文)。
窗口大小(Window Size) 16 接收方的可用缓冲区大小,用于流量控制(滑动窗口机制)。
校验和(Checksum) 16 校验头部和数据的完整性,防止传输错误。
紧急指针(Urgent Pointer) 16 指示紧急数据的末尾位置(需 URG=1)。

关键字段解析

• 源/目标端口:标识通信的进程(与 IP 地址结合称为 套接字)。

• 序列号与确认号:

• 序列号(Seq)表示当前报文数据的起始编号。

• 确认号(Ack)表示期望收到的下一个字节编号(如 Ack=X+1 表示已收到 X)。

• 通过比对实现可靠传输(丢包重传)。

• 控制标志位:

SYN:发起连接(三次握手)。

ACK:确认数据。

FIN:关闭连接(四次挥手)。

RST:强制重置连接。

URG:紧急数据(如 Ctrl+C 中断命令)。

PSH:催促接收方立即处理数据。


2.2 TCP 三次握手

三次握手用于建立 TCP 连接,确保双方收发能力正常:

  1. 第一次握手(SYN)

    • 客户端发送 SYN=1, Seq=X

    • 进入 SYN_SENT 状态。

  2. 第二次握手(SYN+ACK)

    • 服务器回复 SYN=1, ACK=1, Seq=Y, Ack=X+1

    • 进入 SYN_RCVD 状态。

  3. 第三次握手(ACK)

    • 客户端发送 ACK=1, Seq=X+1, Ack=Y+1

    • 双方进入 ESTABLISHED 状态。

为什么需要三次?

防止历史重复连接请求突然到达服务器,导致资源浪费。


2.3 TCP 四次挥手

四次挥手用于安全关闭连接:

  1. 第一次挥手(FIN)

    • 客户端发送 FIN=1, Seq=X,进入 FIN_WAIT_1

  2. 第二次挥手(ACK)

    • 服务器回复 ACK=1, Ack=X+1,进入 CLOSE_WAIT

    • 客户端收到后进入 FIN_WAIT_2

  3. 第三次挥手(FIN)

    • 服务器发送 FIN=1, Seq=Y,进入 LAST_ACK

  4. 第四次挥手(ACK)

    • 客户端回复 ACK=1, Ack=Y+1,进入 TIME_WAIT(等待 2MSL)。

    • 服务器收到后关闭连接。

为什么需要四次?

因为 TCP 是全双工的,必须分别关闭两个方向的连接。


3. UDP 协议详解

3.1 UDP 报文结构

UDP 头部仅 8 字节,极为轻量:

字段 长度(比特) 说明
源端口(Source Port) 16 可选,不使用时设为 0。
目标端口(Destination Port) 16 必须指定。
长度(Length) 16 整个 UDP 报文的长度(含头部)。
校验和(Checksum) 16 可选,但推荐启用。

UDP 特点:

• 无连接:无需握手,直接发送数据。

• 不可靠:不保证顺序、不重传丢失包。

• 低延迟:适合视频流、DNS 查询等场景。

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