【学习笔记】TCP 与 UDP

TCP（Transmission Control Protocol）与UDP（User Datagram Protocol）是 网络通讯 中最基础也最常用的两种 传输层 协议。

文章目录

• • • [1. 简介](#1. 简介)
    • [2. OSI 与 TCP/IP 模型中的定位](#2. OSI 与 TCP/IP 模型中的定位)
    • [3. 协议原理与关键机制](#3. 协议原理与关键机制)
    • • [3.1 UDP](#3.1 UDP)
      • [3.2 TCP](#3.2 TCP)
    • [5. 实践：Socket 接口示例](#5. 实践：Socket 接口示例)
    • • C语言
      • Go语言
      • Python语言
    • [6. 调优](#6. 调优)

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1. 简介

TCP 是1974年由早期的NCP（Network Control Protocol）逐渐演化出来的概念。它在1980年被拆分成了现在常见的TCP与IP协议，形成经典的 TCP/IP 协议簇。后来，UDP 在 RFC 768（互联网工程任务协会，Internet Engineering Task Force, IETF，发布的一个标准文件）中发布，用于减少延迟、适应简单的请求或应答环境，如DNS（域名系统）。

90年代后，TCP 持续优化拥塞控制算法（如Tahoe、Reno、CUBIC），在万兆与云计算场景中处于核心地位。而UDP则在实时音视频、VoIP（基于IP的语音传输，一种语音通话技术)、在线游戏等领域被广泛使用。

2. OSI 与 TCP/IP 模型中的定位

TCP/IP模型将传统的OSI理论模型简化为4层结构，传输层分为TCP/UDP两种机制。

3. 协议原理与关键机制

3.1 UDP

【注】

• 源/目的端口： 标识进程级别的通信端点
• 长度： 头部与数据总长度，最小8字节
• 校验和： 包含伪首部，检验UDP头与数据的完整性

【机制】

• 无握手： 发送即完成，无三次握手
• 无重传： 丢包不重发、无拥塞控制，由上层应用决定策略。
• 场景： 实时音视频、DNS查询等。实时性要求高，应用自有可靠机制或可忽略丢包。

3.2 TCP

【注】

• 序列号 / 确认号： 实现可靠传输的核心，按字节计数流
• Flags： URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN等，控制连接的建立，终止与数据推送。
• 窗口大小： 流量控制的关键，接收方通告自己缓存区的剩余空间
• 选项： 常见有最大报文段MSS、时间戳、窗口缩放等，用于性能优化。

【机制】

• 三次握手（3-way Handshake）：

  1. 客户端发送SYN，选择输出序列号x

  2. 服务端回应 SYN+ACK，确认号 x+1，并发送自己序列号 y

  3. 客户端再发 ACK 确认号 y+1，一切就绪

• 四次挥手（4-way Teardown）：

  1. 发起方发送 FIN。

  2. 对方 ACK。

  3. 对方再发 FIN。

  4. 原方 ACK，等待 TIME-WAIT 结束后真正释放。

• 重传
  超时重传（RTO）： 基于往返时间（RTT）估算，动态调整超时重传定时器。
  快速重传： 连续收到 3 个相同的ACK时，立即重传疑似丢失的报文段，而无需等待超时。

• 拥塞控制算法

  1. 慢启动： 指数增长拥塞窗口（cwnd），直到达到阈值

  2. 拥塞避免： 加法增大，线性增长cwnd

  3. 快速重传与快速恢复： 检测到丢包后，一方面减小阈值，一方面快速恢复到阈值区。

  4. CUBIC（linux默认），BBR（Google提出）等

5. 实践：Socket 接口示例

下面以编程语言示例基础的TCP和UDP的服务端与客户端。

C语言

// UDP 客户端示例：初始化并发送
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 服务器示例：接受连接并回复
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语言

// UDP Echo 服务器
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 客户端
conn, _ := net.Dial("tcp", "localhost:8000")
fmt.Fprintln(conn, "Hello TCP")
response, _ := bufio.NewReader(conn).ReadString('\n')
fmt.Println("Server replied:", response)

Python语言

# UDP 客户端
import socket
udp = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
udp.sendto(b"Ping", ("localhost", 9000))
msg, _ = udp.recvfrom(1024)
print(msg)

# TCP 服务器
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. 调优

1. TIME_WAIT消耗： 大量短连接会产生大量的TIME_WAIT，建议启动连接复用、长连接或HTTP/2多路复用。
2. MTU与分片： 超大UDP报文易被分片丢弃，建议应用层自行分片与重组。
3. Nagle算法： TCP默认启用Nagle，合并小包，可能会增加延迟，需要根据场景选择是否禁用。
4. 内核缓冲区调整： 高带宽-时延环境下，增大send/recv缓冲区以避免吞吐瓶颈。
5. 拥塞算法： Linux默认CUBIC，若要更低时延可使用BBR。