Linux入门DAY34（TCP）

#网络通信 #传输层 #TCP协议

前言 本篇总结起点为文档中「网络抓包工具」章节，记为第 1 点，后续知识点按文档出现顺序依次编号，梳理传输层 UDP、TCP 全部核心内容，涵盖工具实操、协议原理、编程接口、报文格式、核心机制，可用于课程复习、实验预习。

1、网络抓包工具 wireshark

1. Linux 安装命令：sudo apt‑get install wireshark
2. 启动命令：sudo wireshark
3. 抓包操作步骤：选择网卡；设置过滤条件（示例：udp.port == 50000）；运行网络通信程序抓取数据包，用于分析网络问题。

2、UDP 协议（传输层）

2.1 UDP 协议特点

1. 无连接；
2. 面向数据报；
3. 尽最大努力交付，不可靠，存在丢包、乱序现象；
4. 内部机制简单，实时性好、传输效率高；典型应用场景：直播、游戏画面传输。

2.2 两种软件架构模型

• B/S（浏览器 / 服务器）：使用通用浏览器作为客户端；只需要开发服务端；资源主要保存在服务端。
• C/S（客户端 / 服务端）：专用客户端程序；客户端、服务端都需要开发；两端均可保存业务资源。

2.3 UDP 通信 API 流程

• 服务端流程：socket() → bind() → recvfrom() → sendto() → close()
• 客户端流程：socket() → sendto() → recvfrom() → close()

核心函数说明

1. socket()：创建套接字；参数AF_INET代表 IPv4 协议族；SOCK_DGRAM指定 UDP；返回套接字文件描述符。
2. sendto()：发送 UDP 数据报，需要传入对端 IP 端口地址结构体。
3. recvfrom()：接收 UDP 报文，可以获取发送方的地址信息。
4. bind()：服务端绑定本机 IP 地址与端口号。
5. 地址结构体struct sockaddr_in：sin_family协议族，sin_port端口（必须网络字节序），sin_addr存储 IP。

2.4 主机字节序与网络字节序转换函数

• htons：short 类型，主机字节序转网络字节序
• htonl：long 类型，主机字节序转网络字节序
• ntohs：short 类型，网络字节序转主机字节序
• ntohl：long 类型，网络字节序转主机字节序
• inet_addr()：点分十进制字符串 IP 转换为 32 位二进制 IP
• inet_ntoa()：IP 结构体二进制转换成点分十进制字符串 IP

2.5 UDP 报文头部结构

源端口 (2 字节)｜目的端口 (2 字节)｜数据包长度 (2 字节)｜校验和 (2 字节)

3、TCP 协议（传输层）

3.1 TCP 协议特点

1. 面向连接；
2. 面向字节流；
3. 可靠传输；依靠三次握手、四次挥手、应答确认、超时重传等机制保障数据可靠；
4. 内部机制复杂，实时性、传输效率弱于 UDP；典型场景：HTTPS、FTP、MQTT。

3.2 三次握手（建立连接，客户端发起）

1. 客户端发送SYN报文，请求建立连接；
2. 服务端回复SYN+ACK报文，同意建立连接；
3. 客户端回复ACK报文，三次握手完成，连接建立。

3.3 数据传输

报文标志位PSH：表示报文携带上层应用数据；接收方收到数据后回复ACK完成确认。

3.4 四次挥手（断开连接）

1. 通信一方发送FIN报文，表示本方不再发送数据；
2. 对方回复ACK确认收到关闭请求；
3. 对方发送FIN报文，表示对方也不再发送数据；
4. 本方回复ACK，四次挥手完成，连接释放。

3.5 TCP 编程流程

服务端：socket() → bind() → listen() → accept() → recv() / send() → close() 客户端：socket() → connect() → send() / recv() → close()

API 说明

1. connect()：客户端调用，向服务端发起 TCP 连接请求。
2. listen()：开启监听；参数 backlog 表示未完成三次握手队列最大数量。
3. accept()：取出完成三次握手的客户端连接，返回通信套接字；原有 socket 继续充当监听套接字。
4. recv()：接收 TCP 数据；返回值 > 0 读到数据；返回 0 代表对方关闭连接；返回‑1 代表出错。

3.6 TCP 报文头部

固定头部 20 字节：源端口、目的端口、序列号、确认号；数据偏移；标志位；窗口；校验和；紧急指针；可选字段。

头部标志位

• SYN：请求建立连接
• ACK：应答确认
• PSH：携带应用层数据
• FIN：请求断开连接
• URG：紧急数据
• RST：重置连接

3.7 TCP 可靠传输核心机制

1. 应答确认机制：每个发送报文分配序列号；接收方返回确认号 = 收到最后一个字节编号 +1。
2. 超时重传机制：发送报文后等待 ACK 应答；超时未收到应答，自动重传该报文。
3. 滑动窗口机制：设置缓冲区，区分已发送已确认、已发送未确认、待发送数据，提升吞吐量。
4. 流量控制机制：依靠 ACK 报文中窗口值动态调整发送速率，防止接收方缓冲区溢出。
5. 捎带应答机制：ACK 应答可以跟随业务数据报文一起发送。
6. 延迟应答机制：可以合并多条应答，减少报文数量。

小结

1. Wireshark 抓包工具用于网络数据包观测调试，通过过滤条件可以只抓取指定端口报文。
2. UDP 无连接面向数据报，实时高效但不可靠；TCP 面向连接面向字节流，依靠握手挥手、确认重传等机制实现可靠传输。
3. UDP 使用sendto/recvfrom收发；TCP 区分监听套接字和通信套接字，使用send/recv收发；网络编程必须注意主机字节序与网络字节序转换。
4. TCP 的三次握手负责建立连接，四次挥手负责断开连接；多种内部机制共同保障 TCP 可靠传输。