网络：传输层协议UDP和TCP

嶔某2025-10-20 11:29

网络：传输层协议UDP和TCP

UDP

端口号

在传输层中（TCP/UDP）我们使用源ip，目标ip，源端口号，目标端口号，协议号这样一个五元组来标识一个通信netstat -n

1-1023 知名端口号，大多是被一些知名的协议内定了，http，https，ssh等

1024-65535 操作系统动态分配的端口号，客户端其他程序使用的端口号，由OS自动动态分配

所以在我们写自己的程序时，应该避免绑定这些知名端口

协议名称 默认端口号 传输层协议 核心用途
HTTP 80 TCP 超文本传输协议，用于普通网页访问、HTTP 接口通信
HTTPS 443 TCP 加密的 HTTP 协议（基于 TLS/SSL），用于安全的网页访问、电商支付、API 通信
FTP 21（控制） TCP 文件传输协议的控制连接，用于指令交互（如上传 / 下载命令）；数据连接使用 20 端口（主动模式）
SSH 22 TCP 安全外壳协议，用于远程服务器登录、命令执行、文件传输（如 SCP/SFTP）、Git 操作
Telnet 23 TCP 远程终端协议（明文传输，安全性差），多用于设备调试（逐渐被 SSH 替代）
SMTP 25 TCP 简单邮件传输协议，用于发送电子邮件（服务器之间或客户端到邮件服务器）
POP3 110 TCP 邮局协议版本 3，用于从邮件服务器接收电子邮件（下载到本地，服务器可删除原邮件）
IMAP4 143 TCP 互联网邮件访问协议版本 4，用于接收电子邮件（支持远程管理邮件文件夹，不强制下载本地）
DNS 53 TCP/UDP 域名系统，UDP 用于小报文解析，TCP 用于大报文（如超过 MTU 的响应）或区域传输
DHCP 67（服务器）/68（客户端） UDP 动态主机配置协议，用于自动分配 IP 地址、子网掩码、网关等网络配置信息
TFTP 69 UDP 简单文件传输协议，轻量级（无认证），用于设备固件升级、网络启动（PXE）等场景
SNMP 161（代理）/162（管理站） UDP 简单网络管理协议，用于监控网络设备（如路由器、交换机）的状态和性能
MySQL 3306 TCP MySQL 数据库的客户端 - 服务器通信端口，用于 SQL 指令交互和数据传输
PostgreSQL 5432 TCP PostgreSQL 数据库的默认通信端口
MongoDB 27017 TCP MongoDB 文档数据库的默认通信端口，用于客户端连接和数据操作
Redis 6379 TCP（默认）/UDP 内存数据库 Redis 的默认端口，支持键值对操作、缓存、消息队列等
RabbitMQ 5672（AMQP）/5671（AMQPS） TCP 消息队列 RabbitMQ 的默认端口，AMQP 协议用于消息的生产和消费
Nginx/Apache 80（HTTP）/443（HTTPS） TCP Web 服务器的默认端口，用于提供静态资源或反向代理到后端应用
RDP 3389 TCP/UDP 远程桌面协议，用于 Windows 系统的远程桌面连接
LDAP 389 TCP/UDP 轻量级目录访问协议，用于用户身份认证、组织目录查询（如企业内部系统集成）
LDAPS 636 TCP 加密的 LDAP 协议（基于 TLS/SSL），用于安全的目录服务访问
RTSP 554 TCP/UDP 实时流传输协议，用于控制音视频流（如监控摄像头、流媒体服务器的播放 / 暂停）
SIP 5060（UDP/TCP）/5061（TLS） UDP/TCP 会话初始协议，用于建立、修改和终止 VoIP 通话、视频会议等实时通信会话
NFS 2049 TCP/UDP 网络文件系统，用于客户端挂载远程服务器的文件系统，实现共享访问
iSCSI 3260 TCP 互联网小型计算机系统接口，用于将远程存储设备映射为本地磁盘（存储区域网络 SAN）

  • 一个端口号可以绑定多个进程吗？No

  • 一个进程可以被多个端口绑定吗？Yes

报文格式

报文长度字段：记录了UDP报文包含数据内容一共的长度

校验和：通过一些算法逻辑对数据进行校验，校验不通过则直接丢弃

特点

无连接：UDP协议只需要知道对方的ip和端口就可以传输，不建立连接

不可靠：没有确认机制，没有重传机制，UDP即使传输失败也不会有任何的报错信息，因为根本不知道传输是成功还是失败

面向数据报：这一边怎么发的报文，另一边就要怎么收。不能控制读写数据次数和数量

面向数据报

也就是说应用层交给UDP一段数据，UDP既不能拆分，也不能合并，只负责保持原样发送就行

发送端调用sendto发送了100字节的数据，接收端也必须调用一个recvfrom接收100字节，不能够调用十次recvfrom每次接受10字节这样

无发送缓冲区

UDP协议在内核层面上其实是有发送缓冲区的，但是这只是为了方便和TCP公用代码，实际上UDP是不会用发送缓冲区的，应用层把数据交给UDP后，调sendto后内核添加报头后直接交给网络层进行后续的传输操作

当然UDP是有接受缓冲区的，主要是为了保证，发送和接受的数据顺序一致，当接受缓冲区满了之后再来的数据会被直接丢弃（不可靠）

UDP的socket既能读又能写，是全双工

注意事项

UDP协议报中有一个字段：最大长度，占了16位空间，所以UDP一次能够传输的最大数据量是64K，并且这还是包含了UDP报头长度的，在当今互联网中64K已经算是一个比较小的数据量了，如果我们要传输的数据量大于64K，就需要在应用层手动分包后再交给UDP多次发送，接收端收到后也需要进行手动拼装

基于UDP的一些应用层协议

  • NFS：网络文件系统
  • TFTP：简单文件传输系统
  • DHCP：动态主机配置协议
  • BOOTP：启动协议（用于无盘设备启动）
  • DNS：域名解析协议（需要快速响应，所以用UDP无需复杂操作）
  • 当然还有我们自己编写的基于UDP的应用层协议

TCP

TCP协议全名传输控制协议 Transmission Control Protocol接下来我们就从"传输"和"控制"这两个词开始展开介绍

报文格式

  • 源端口、目的端口
  • 32位序号/32位确认号：和确认应答机制有关
  • 4位TCP报头长度：表示该TCP头部有多少32bit（4字节）如果四位全是一：1111就表示有15 * 4 = 60字节（最大也就是60字节）
  • 六位标志位
  • URG：紧急指针是否有效；表示报文含紧急数据（优先处理）
  • ACK：确认号是否有效（和确认应答机制有关）
  • PSH：提示接收端应用程序马上从TCP缓冲区把数据读走
  • RST：对方要求重新建立连接；携带此标识的报文叫做复位报文段
  • SYN：请求建立连接；携带此标识的报文叫做同步报文段
  • FIN：通知对方本端要关闭了；携带此标识的报文叫做结束报文段
  • 16位窗口大小：与滑动窗口有关
  • 16位校验和：发送端填充CRC校验，接受端验证不通过，则认为数据有问题。（此处校验也包含数据部分）
  • 16位紧急指针：标识哪部分数据是紧急数据
  • 选项：用于扩展TCP功能如：MSS协商每个报文段能承载的最大数据长度（建立连接时确定）、窗口扩大因子、时间戳，剩余部分为填充字段补 0 使整个TCP头部的长度为4字节的整数倍即可

确认应答机制

TCP给每一个字节的数据都标了序号，就是序列号

字段 作用 示例
序列号（Seq） 标识 "当前 TCP 段中第一个字节的数据在整个数据流中的位置"，确保数据有序。 若发送方需传输 1000 字节数据（总数据流编号 1-1000），第一个段（500 字节）的 Seq=1，第二个段的 Seq=501。
确认号（ACK Num） 标识 "接收方期望下次收到的 TCP 段的第一个字节序号"，隐含 "此前所有序号的数据已成功接收"。 接收方成功收到Seq=1、长度 500 字节的段后，会回复 ACK Num=501（表示 "1-500 字节已收到，下次请发 501 开始的数据"）。

超时重传机制

在发送端发送给接受端消息时，预期是会接收到ACK报文，但是如果没有接收到呢，或者是因为发送的消息根本没有到达接受端，又或者是接收端收到了消息并发送了ACK报文，但ACK报文在路上丢了。这时候发送端在经过一段时间后会重新发送报文。

这样有几个问题，接收端可能会接收到很多一样的报文，但这有序列号，相同序列号的报文即为重复报文，所以去重不是一件难事。

问题在于你如何界定发送端发送过了多少时间没有接受到ACK报文即为超时呢？

  • 找到一个最小时间，确保如果没有问题，一定可以在这个时间内收到ACK报文
  • 但是你如何保证网络延迟呢
  • 因为网络延迟，这个时间设定得越短，那么可能发送端会频繁发送数据包
  • 那么这个时间设定得越长，可能会影响重传效率

那么TCP协议为了控制无论在任何环境下都能保证到一个不错的传输效率，这个时间是根据网络环境动态计算的

  • Linux中超时以500ms为一个单位进行控制，每次判定超时重发的时间总是500ms的整数倍
  • 如果在重发一次后，仍旧得不到回答，等待2 * 500ms后再次重传
  • 如果仍旧得不到应答，等待4 * 500ms后再次重传，以指数形式递增
  • 累计一定重传次数，TCP则认为网络或者对方主机异常，强制关闭连接

连接管理机制

正常情况下TCP需要进行三次握手建立连接，四次挥手断开连接

服务端状态变化

  • [CLOSED -> LISTEN] 服务端调用listen后进入LISTEN状态，等待客户端连接
  • [LISTEN -> SYN_RCVD] 一旦监听到连接请求（同步报文段），就将该连接放入内核等待队列中，并向客户端发送SYN确认报文
  • [SYN_RCVD -> ESTABLISHED] 服务端一旦收到客户端的确认报文，就进入ESTABLISHED状态，可以进行读写数据了
  • [ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT] 当客户端主动关闭连接（调用close），服务端会收到结束报文段，服务器返回确认报文段并进入CLOSE_WAIT
  • [CLOSE_WAIT -> LAST_ACK] 进入CLOSE_WAIT后说明服务器准备关闭连接（需要处理完之前的数据）；当服务器真正调用close关闭连接时，会向客户端发送FIN，此时服务器进入LAST_ACK状态，等待最后一个ACK到来（这个ACK就是确认客户端收到了FIN）
  • [LAST_ACK -> CLOSED] 服务器收到了对FIN的ACK，彻底关闭连接

客户端状态变化

  • [CLOSED -> SYN_SEND] 客户端调用connect，发送同步报文段
  • [SYN_SEND -> ESTABLISHED] connect调用成功，则进入ESTABLISHED状态，开始读写数据
  • [ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1] 客户端主动调用close时，向服务器发送结束报文段同时进入FIN_WAIT_1
  • [FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2] 客户端收到服务端对结束报文的确认，则进入FIN_WAIT_2，开始等待服务器的结束报文段
  • [FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT] 客户端收到服务器发来的结束报文段，进入TIME_WAIT，并发出LAST_ACK
  • [TIME_WAIT -> CLOSED] 客户端要等待一个2MSL（Max Segment Life，报文最大生存时间）的时间，才会进入CLOSED状态
理解TIME_WAIT状态

当我们在Linux上先启动一个server再启动一个client，之后Ctrl+C关掉server，马上再次运行server，这时会报一个错误：bind error：Address already in use

这是因为虽然server进程终止了，但是在TCP层的连接并没有马上断开，因此是不能再次监听同一个端口的。

  • TCP协议规定，主动关闭连接的一方要处于TIME_WAIT状态，等待2MSL (Max Segment Life)的时间后才能回到CLOSE状态
  • 我们使用Ctrl+C终止了server进程，所以server是主动关闭连接的一方，在TIME_WAIT期间仍然不能再次监听同样的server端口
  • MSL在RFC1122中规定为两分钟，但各个操作系统的实现不同，在Ubuntu上默认配置的值是60s
  • 查看该值：cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout
bash 复制代码 
wq@wq-VMware-Virtual-Platform:~/Desktop$ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout
60
为什么TIME_WAIT的时间是2MSL？

MSL是TCP报文的最大生存时间，所以TIME_WAIT状态持续2MSL后，在两个传输方向上的所有尚未被接受的或者迟到的报文都会消失，否则服务器立刻重启，可能还会收到上一个进程迟到的数据，但是这个数据可能是错误的。同时也是在理论上保证最后一个报文可靠到达，也就是如果最后一个ACK丢了，那么服务器会再次发送一个FIN，这时虽然客户端的进程不在了，但是TCP连接还在，仍然可以重发送LAST_ACK

解决TIME_WAIT状态引起的bind失败的方法 （服务器上大量连接处于TIME_WAIT状态是什么原因？）

如果服务器需要处理非常大量的客户端的连接，每一个客户端的连接的生存时间很短，但是每秒都有大量的客户端发来连接请求。这时如果服务器主动关闭某些客户端不活跃的连接，那么就会产生大量处于TIME_WAIT状态的连接。但是每一个连接都会占用一个五元组（源IP、源端口、目的IP、目的端口、协议），其中服务器的IP、端口和协议是固定的，如果新来的客户端连接的端口号和正在TIME_WAIT的连接占用的端口号重复了，那么就会出现问题

在server的TCP连接没有完全断开之前理论上是不允许重新监听的。我们可以使用setsockopt()设置socket描述符的选项SO_REUSEADDR为1，即表示允许创建端口号相同但IP地址不同的多个socket描述符（前提是这些 IP 地址均属于本机）

c 复制代码 
int opt = 1;
setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
理解CLOSE_WAIT状态

如果我们在服务器的代码里取消new_sock.Close();这个代码，但客户端关闭后，服务器向客户端发送ACK报文，表示我收到了你的关闭连接请求，但不会向客户端发送FIN报文，所以这时候服务器就处于CLOSE_WAIT状态，四次挥手没有完成

所以服务器上出现大量的CLOSE_WAIT状态，就是因为服务器没有正确关闭socket，四次挥手没有正确完成，只是代码上的BUG，加上close即可，表示服务端也想关闭连接

滑动窗口

前面我们说过确认应答机制，一方对另一方发送的报文进行确认，即发送ACK报文，如果对每一条报文都进行ACK回应才能发送下一条报文的话，在通信时间上会有问题

那么我们可不可以一次性发送一个批量的数据，将这个批量的数据的等待时间重叠到一起呢？OK 这时候滑动窗口出场了

  • 窗口大小就是无需等待确认应答而继续发送的最大数据量，下图的窗口大小就是200
  • 发送前200字节的时候无需等待ACK直接法送
  • 收到第一个ACK后窗口向右（后）移动，继续发送下面的数据
  • 操作系统为了维护这个窗口，需要开辟发送缓冲区来记录当前还有哪些数据没有应答，只有确认应答后的数据才能从缓冲区删掉
  • 这个窗口越大，说明网络吞吐量就越高
如果出现丢包，如何解决

情况一：数据包已经抵达，但ACK丢了

部分ACK丢了不会影响，因为确认应答的机制是：此前所有序号的数据已成功接收 。可以通过后面的ACK确认

情况二：数据包直接丢了，对方根本没收到

  • 当某一段报文丢失后，发送端会一直收到1001这样的ACK，就是表明1001前面的我都收到了，你应该从1001给我开始发
  • 如果发送端连续三次收到同样的1001这样的应答，就会将对应的数据1001 - 2000 重新发送
  • 如果这时候收到了1001 - 2000 ，对这个报文返回的ACK的确认序号就是7001，表示7001前面的数据都已经收到了，放到了操作系统的接受缓冲区中

这种机制叫做高速重发控制，也叫做快重传

流量控制

接受端处理数据速度有限，不能让发送端一直发送，所以得想办法让发送端知道接收端的数据处理情况，也就是我可以接受多少的数据，那么"窗口大小"这个字段就是干这个的。

  • 发送端根据接受端的接受能力发送数据，这个就叫流量控制机制Flow Control
  • 每次接收端向发送端发送ACK确认报文时，会在TCP首部窗口大小字段填上自己的接收缓冲区的剩余空间大小
  • 窗口大小越大，说明网络吞吐量越高
  • 接受端会根据自己的接受缓冲区大小实时调整发送的窗口大小字段
  • 如果接受缓冲区满了，将窗口大小设置为0，对放不再发送数据，但是还是会定期发送一个窗口探测数据段，促使接受端赶快把窗口大小告诉发送端

我们知道TCP首部中窗口大小字段是16位的，所以16位数组最大表示65535，所以TCP窗口最大就是65535字节？NO！``TCP首部40字节选项中包含了一个窗口扩大因子M，实际窗口大小为窗口字段左移M位

拥塞控制

此外网络中有很多计算机，在网络通信一开始的时候我们需要先搞清楚当前的整个网络状况，所以TCP协议引入慢启动机制，先发送少量数据，搞清楚当前网路拥堵状态，慢慢加速，直到达到最大传输速度

慢启动

在TCP协议栈内存在一个拥塞窗口，发送开始时拥塞窗口为1MSS，每次收到一个ACK应答，拥塞窗口加1MSS，每一次发送数据包时，将拥塞窗口和接收端主机的窗口大小做比较，取较小值作为实际发送窗口

  1. 初始发送与 ACK 反馈假设初始 cwnd=1 MSS（即一次可发送 1 个报文段）：
    • 第 1 次发送：发送 1 个报文段（大小为 1 MSS）。
    • 收到该报文段的 ACK 后，根据规则，cwnd 增加 1 MSS，变为cwnd=2 MSS。
  2. 第二轮发送与 ACK 累积此时 cwnd=2 MSS，意味着一次可发送 2 个报文段：
    • 第 2 次发送：连续发送 2 个报文段（总大小 2 MSS）。
    • 每个报文段被确认后，cwnd 分别增加 1 MSS：
      • 收到第 1 个 ACK：cwnd 从 2→3 MSS；
      • 收到第 2 个 ACK：cwnd 从 3→4 MSS。
    • 因此，一轮发送（2 个报文段）结束后，cwnd 从 2 变为 4 MSS（翻倍）。
  3. 第三轮及后续
    • cwnd=4 MSS 时，一次发送 4 个报文段，收到 4 个 ACK 后，cwnd 会从 4→8 MSS（每个 ACK 增加 1 MSS，4 次累积增加 4 MSS）。
    • 以此类推，每经过一个 RTT（完成一轮发送和确认），cwnd 的大小就会翻倍。
拥塞避免

我们可以知道这个拥塞窗口的增长速度是指数级别的，慢启动是指启动时慢，但增长很快。

但是不能让它这么一直翻倍下去，在超过一个阈值后，为了避免发送数据过多造成网络拥堵，后面就是线性增长了（保守）。策略是：每收到一轮（即一个往返时间内）ACK后让拥塞窗口增加1MSS

拥塞发生后的调整

当检测到拥塞后（发生超时重传，3次重复ACK说明有数据丢包了）拥塞窗口会被重新设置为1，慢启动阈值会被设置为原来的一半，然后重新进入慢启动

拥塞控制就是TCP想尽快把数据传给对方，但又要避免给网络造成太大压力的一个折中方案

MSS（Maximum Segment Size，最大报文段长度）是 TCP 协议中定义的一个参数，用于指定 TCP 报文段（Segment）中应用层数据的最大长度（不包含 TCP 头部和 IP 头部）。它是 TCP 在建立连接时协商的关键参数，直接影响数据传输的效率。

下面的代码是高并发内存池项目中和拥塞窗口相似的代码：

C++ 复制代码 
void *ThreadCache::FetchFromCentralCache(size_t index, size_t size)
{
    // 一次从中心缓存取多少空间 控制一个批量 小对象多给 大对象少给 慢启动 <类似拥塞窗口>
    // 在每一个自由链表中维护一个 maxsize 每次取 maxsize 与 batch 中的小值 然后每一次++maxsize或者+=2
    size_t batchNum = std::min(SizeClass::NumMoveSize(size), _FreeLists[index].MaxSize());
    // 最开始不会向中心缓存要太多 如果需求大 maxsize 会不断增长 直到上限
    if (_FreeLists[index].MaxSize() == batchNum)
        _FreeLists[index].MaxSize() += 1;

    // 获取单例 调用fetchrangeobj函数 但span里不一定有那么多 返回实际获取了多少
    void *start = nullptr;
    void *end = nullptr;
    size_t actualNum = CentralCache::GetInstance()->FetchRangeObj(start, end, batchNum, size);
    assert(actualNum > 0);
    if (actualNum == 1)
    {
        assert(start == end); // start和end应该是相同的
        return start;
    }
    else
    {
        // 插入当前线程的ThreadCache自由链表 并将第一个内存块返回
        _FreeLists[index].pushRange(NextObj(start), end, actualNum - 1);
        return start;
    }
}

延迟应答

如果接受端接收到数据马上返回ACK应答的话，返回的窗口大小就会很小，如果我们等一会再发送ACK，刚刚发过来的数据我们已经处理完了，这时候发送过去的ACK携带的窗口大小就会变大一些

  • 假设接收端缓冲区为1M，这次收到了500K的数据，如果立即返回ACK窗口大小就是500K
  • 但是实际上接收端只需要10ms就可以把这500K的数据处理完，所以就算把窗口扩大到1M接收端也能处理得过来
  • 所以我们选择等一会（200ms）再应答，这时候返回的窗口大小就是1M
  • 一般是每隔N（取2）个包应答一次，另外超过最大延迟时间（200ms）应答一次（不同操作系统的设计方案不一样）

这样还可以减少ACK报文的数量，节省带宽，同时也减少整个网络中间设备的负载

捎带应答

其核心思想是：将ACK报文附加在要发送给对方的数据报文上，整合为一个报文，减少发送的总报文数量、网络流量和资源消耗

面向字节流

我们需要知道TCP不像UDP，TCP是有发送缓冲区和接收缓冲区的，当你调用wirte时，数据会先写入发送缓冲区，再由操作系统接管决定什么时候发。如果发送的字节数过长，会被拆成多个TCP包发出；如果发送的字节数过短，操作系统就会让数据在发送缓冲区等着，数据量够了再一起发出去。接受数据也是同理，先从网卡驱动搬到接收缓冲区，然后用read调用从接收缓冲区里面读取数据。此外一个TCP连接有发送接收缓冲区，既可以读也可以写，这个叫做全双工

因为有了缓冲区，TCP的读和写不需要一一匹配，写了100个字节的数据，可以调用一个read读取一百个字节，也可以调用10个read一次读取10个字节

粘包问题

面向字节流随之而来的一个问题就是粘包（应用层的数据包）问题，在传输层的角度TCP报文一个一个的排着队，存在缓冲区中，但在应用层的角度，看到的就是一串连续的数据，分不清每一个数据报文的边界。

如何明确两个包之间的边界？
  • 对于定长的包，确保每次读取固定大小的字节
  • 对于变长的包，可以在包的头部约定一个包总长度的字段，也就知道了包到哪里结束（这个长度字段说在报文的正文数据部分的，不是在报头）
  • 此外还可以在包和包之间使用明确的分隔符（如\r\n）也就是应用层协议了，可以由程序员自己定，并确保分隔符不与正文冲突
UDP有粘包问题吗？

没有

根本原因是UDP是面向数据报：UDP调用sendto是直接将数据封装为一个报文立即发送，没有TCP那样的合并小数据包的算法；UDP调用recvfrom每次也只会读取一个数据包，如果没有读取，数据包会在缓冲区排队（UDP是有接收缓冲区的），并且UDP的报头里面是有一个字段叫做：报文长度 ；TCP只有序号、确认号

异常情况

  • 进程终止：会释放文件描述符，但仍然可以发送FIN，和正常关闭没区别
  • 机器重启：重启之前会关闭所有进程，和进程终止一样
  • 机器掉电 / 拔网线：当前机器无法发送报文，但对端会认为连接还在。如果对端有数据发送，会因为始终无法接收到ACK确认，会触发超时重传，超市重传达到系统阈值（15次）后认为连接不可用，关闭连接，并返回错误ETIMEDOUT；如果对端无数据发送，空闲连接，TCP有保活机制 （默认是关闭的需手动通过socket选项开启），系统会定期（2小时）发送一个探测报文，如果连续多次发送探测报文未收到回应，判定连接失效，关闭连接
实际开发中的应对策略

  1. 开启 TCP 保活机制：针对长连接场景，通过setsockopt配置 Keepalive 参数（缩短探测间隔和重试次数），快速检测无效连接，减少资源占用。

    cpp 复制代码 
    // C++开启TCP保活示例
int keepalive = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &keepalive, sizeof(keepalive));
// 配置探测间隔（如30秒）、重试次数（如3次）等参数（系统相关）

  2. 应用层心跳机制 ：在 TCP 之上设计自定义心跳协议（如定期发送小数据包），比 TCP 保活更灵活，可快速感知对端异常，主动关闭连接并重启重连。

  3. 幂等性设计：因掉电可能导致数据传输中断（如已发送但未确认的数据），应用层需保证数据处理的幂等性，避免重复处理或数据丢失。

  4. 资源释放兜底：服务器端需限制单个连接的超时时间，定期清理长时间未活动的连接，防止因大量半开连接耗尽端口和内存资源。

基于TCP的应用层协议

一、核心基础协议
协议名称 核心用途 关键特性
HTTP/HTTPS 万维网数据传输（网页、接口请求） HTTPS 基于 TLS 加密，HTTP/1.1 支持长连接，HTTP/2 支持多路复用，均依赖 TCP 的可靠性确保报文完整传输
FTP 文件上传 / 下载 采用双连接模型（控制连接 + 数据连接），通过 TCP 保证大文件传输的完整性
SMTP/POP3/IMAP 电子邮件传输（发送 / 接收） SMTP 负责发送，POP3/IMAP 负责接收，依赖 TCP 确保邮件内容无丢失
SSH 远程服务器登录与命令执行 加密传输，通过 TCP 保障指令和数据的可靠交互（如服务器管理、Git 操作）
Telnet 远程终端访问（明文，已逐步被 SSH 替代） 基于 TCP 实现字符流的可靠传输，因安全性问题仅用于测试场景
二、分布式与服务通信协议
协议名称 核心用途 技术要点
HTTP/2 gRPC 跨语言 RPC 通信 基于 HTTP/2 帧结构，使用 Protocol Buffers 序列化，依赖 TCP 实现高可靠的服务间调用
JDBC/ODBC 数据库连接（如 MySQL、PostgreSQL） 通过 TCP 与数据库服务器建立持久连接，确保 SQL 指令和查询结果的可靠传输
Redis（TCP 模式） 内存数据库的客户端 - 服务器通信 虽支持 UDP，但默认使用 TCP，保证键值对操作的原子性和数据一致性
MQTT（TCP 模式） 物联网设备通信 轻量级发布 / 订阅协议，基于 TCP 实现低带宽场景下的可靠消息传输
三、文件与媒体传输协议
协议名称 核心用途 适用场景
SFTP 安全文件传输（SSH File Transfer Protocol） 基于 SSH 协议，通过 TCP 提供加密的文件传输，替代 FTP 的明文缺陷
FTPS FTP 的 SSL/TLS 加密版本 保留 FTP 的双连接模型，通过 TCP+TLS 实现安全的大文件传输
RTSP（TCP 控制通道） 实时流媒体控制（如视频监控） 控制通道（播放 / 暂停指令）基于 TCP，数据通道可选用 UDP，但控制指令需可靠传输
四、其他常用协议
协议名称 核心用途 备注
DNS（TCP 模式） 域名解析（大报文场景） 默认使用 UDP，但当响应报文超过 MTU（如 1500 字节）时，自动切换为 TCP 确保完整传输
NFS 网络文件系统 客户端挂载远程文件系统时，通过 TCP 保障文件读写操作的可靠性
LDAP 轻量级目录访问协议 用于用户身份认证、目录服务查询，依赖 TCP 确保目录数据的准确传输

UDP和TCP的发送缓冲区

特性 UDP 发送缓冲区 TCP 发送缓冲区
核心作用 暂存待发送数据报，快速转发给网络层 暂存待发送字节流，配合流量控制、拥塞控制调整发送节奏
数据处理方式 不合并、不延迟，按数据报独立转发 可能合并小数据（Nagle 算法），按需分段（MSS 限制）
可靠性关联 与可靠性无关，发送后不保留数据 需保留已发送但未确认的数据，用于超时重传
阻塞机制 非阻塞模式下溢出直接失败；阻塞模式下可能短暂阻塞 常因流量控制（窗口为 0）或拥塞控制长期阻塞
对比维度 TCP 接收缓冲区 UDP 接收缓冲区
存储单位 连续字节流（按序列号重组，确保有序的字节序列） 独立数据报（按到达顺序存储，不保证发送顺序）
核心作用 1. 暂存接收的字节流，按序列号重组排序2. 通过滑动窗口告知发送方可接收的字节数（流量控制） 1. 暂存接收的数据报，等待应用层读取2. 保留数据报边界，确保应用层一次读取一个完整数据报
数据处理逻辑 - 自动重组乱序数据，确保字节流连续- 丢弃重复数据（通过序列号判断） - 不重组数据，按到达顺序存储- 不处理重复数据（需应用层自行判断）
溢出处理 接收窗口满时，通知发送方暂停发送（滑动窗口机制） 缓冲区满时，直接丢弃新到达的数据报（无通知机制）
与可靠性的关联 强关联：通过缓冲区管理确保有序、无重复的数据交付 无关联：仅暂存数据，不保证数据完整或有序交付
典型配置参数 SO_RCVBUF（接收缓冲区大小） SO_RCVBUF（接收缓冲区大小）
C++ 操作函数 setsockopt/getsockopt（设置 / 获取缓冲区大小） setsockopt/getsockopt（设置 / 获取缓冲区大小）

基于UDP实现可靠传输（基于UDP实现TCP）

需在应用层模拟 TCP 的可靠性设计，核心机制包括：

  1. 序号与确认（Seq/Ack）：为每个数据包分配唯一序号，接收方收到后返回确认报文（携带期望接收的下一个序号），发送方通过确认判断数据是否送达。
  2. 超时重传：发送方发送数据后启动定时器，若超时未收到确认，则重传该数据包（超时时间可采用自适应算法调整）。
  3. 乱序重排：接收方维护接收缓冲区，按序号重组乱序到达的数据包，确保按顺序交付给应用层。
  4. 流量控制：接收方通过确认报文告知发送方自身缓冲区剩余容量，避免发送方发送过快导致数据溢出。
  5. 拥塞控制：可选机制，通过检测网络丢包情况调整发送速率（如慢启动、拥塞避免），避免网络拥塞。
  6. 重传去重：接收方对已确认的序号进行记录，忽略重复到达的数据包。
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