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TCP/UDP协议（一）

TCP/UDP协议（一）

takuya takuya
May 3, 2025
5 min read
network TCP knowledge
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Table of Contents

0x01 协议概述

1.1 TCP协议

TCP是一种面向连接、可靠传输的传输层协议，它在通信开始前需要建立连接（三次握手），在数据传输过程中保证数据的正确性和顺序，到最后通过四次挥手断开连接，广泛应用于对数据可靠性要求高的场景中，例如：网页浏览（HTTP/HTTPS）、文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP/POP3/IMAP）等；

应用场景：

适用于对可靠性要求高的数据传输，例如：

  • Web服务（HTTP/HTTPS）
  • 文件传输（FTP/SFTP）
  • 邮件服务（SMTP/POP3/IMAP）
  • 远程终端访问（SSH/telnet）

1.2 UDP协议

UDP是一种无连接、不保证可靠性的传输层协议，它不建立连接，数据以“数据报”的形式直接发送，因而速度快，适合对实时性要求高、但对数据可靠性要求不高的场景。

应用场景：适合对速度敏感但容错性高的应用，例如：

  • 实时视频/音频传输
  • 在线游戏
  • DNS查询
  • SNMP网络管理
  • DHCP自动获取IP地址

0x02 协议特点

2.1 TCP协议特点

2.1.1 可靠传输

TCP被称为可靠协议，是因为它通过一整套机制确保数据的完整性、有序性和准确到达，具体包括：

  1. 确认应答机制（ACK）：每当接收方收到数据之后，都会发送确认应答，如果发送方在一定时间内没有收到ACK，则重发数据包（超时重传机制）。
  2. 序列号与重排序：每个字节都有序列号（Sequence Number），接收方根据它进行乱序重组，保证数据的有序。
  3. 重传机制：包括超时重传和快速重传（3个重复ACK触发），确保丢包能被恢复。
  4. 校验和（Checksum）：用于检测数据是否在传输中损坏。
  5. 窗口机制：与流量控制结合，确保接收端不会被淹没。

TCP的可靠传输不是因为“它不出错”，而是 即使出错，它也能检测并具备修复功能。

2.1.2 面向连接

  1. 三次握手（Three-Way Handshake）：在数据传输前，TCP要通过三次握手来建立连接，交换初始序列号和能力（窗口大小等），为双方通信准备状态。
  2. 状态维护：TCP的通信双方会维持连接状态（例如ESTABLISHED、FIN_WAIT、CLOSE_WAIT等），知道连接生命周期的每个阶段。
  3. 四次挥手关闭连接：用于优雅断开连接，确保数据完整传输。

TCP需要建立连接，是因为它需要维护一个 “传输上下文”，包括序列号、确认号、窗口、重传计时器等，用来支持其可靠传输能力。

2.1.3 慢启动

为什么会有 慢启动 机制？

  1. 网络带宽不是无限的，TCP不知道网络的承载能力。
  2. 如果一开始发送太多的数据，可能导致网络出现拥塞，引发丢包和重传。

机制原理：

TCP慢启动图示

  1. 慢启动通过一个变量 拥塞窗口（Congestion Window, cwnd）控制每次可以发送的数据量，该变量是发送方维护的变量，和接收方的接收端口（rwnd）共同决定发送速率。
  2. 实际的发送限制是：有效窗口 = min(cwnd, rwnd)
  3. 初始时 cwnd=1 MSS（最大报文段），每收到一个ACK，cwnd翻倍（指数增长）。

每个ACK到来的时候，就增加 cwnd，效果就是：每个RTT(往返时间)数据吞吐量翻倍，增长非常快。

什么时候结束 慢启动？

  1. 达到阈值：ssthresh慢启动阈值
  2. 网络出现丢包（拥塞信号）
    • 如果TCP检测到丢包（例如没有接收到ACK，或者重复接收到ACK），就认为网络拥塞了。
    • 会执行 乘法减小算法
      • ssthresh = cwnd / 2
      • cwnd 重置为 1 MSS，即重新开始慢启动（或进入快速恢复）

TCP的慢启动是一种预防性策略，它试探网络的承载能力，逐步放大传输规模，是TCP拥塞控制的一部分。

慢启动的整个过程就好比往一根未知深度的水管里倒水，一开始会谨慎的倒入一小杯（1 MSS），然后发现水可以流过去，那么就再倒2杯（2 MSS），还没堵？那么就倒入4杯、8杯…直到水开始堵塞了（丢包），此时我们发现水管最多只能承受10杯，于是在此之后就少量倒入，不再翻倍增长。

2.1.4 抢占带宽能力弱

  1. TCP的增长依赖ACK驱动和拥塞控制算法，这是一个“慢慢增加，快速减小”的过程。
  2. 一旦发生丢包或拥塞，TCP会将cwnd快速降为1（乘法减小），然后又进入慢启动重新适应。
  3. 如果新连接加入网络，老连接可能处于拥塞避免阶段，新连接处于慢启动初期，增长迅猛，反而可能抢走老连接的带宽。

TCP不主动抢夺带宽，只是试探性的使用可用带宽，并在出现问题时立刻退让。

2.1.5 即挑大也挑小

这句话的意思是：

  1. TCP既能处理大数据流（例如下载文件），也能传输小数据包（例如telnet输入的一个字符）。
  2. 原因在于TCP是面向字节流，底层会将小数据合并成段发送，也能将大数据分片发送。

技术支持：

  1. Nagle算法：会将小的数据暂存合并，直到等到确认或者足够大的时候发送，减少小包开销。
  2. 分段机制：大数据会被按照MSS分段处理。

TCP是一种通用型传输协议，它既能在延迟敏感型的应用中传输小数据，也能在带宽需求高的场景中承载大流量传输。

2.1.6 面向数据流

TCP把数据当作连续的无边界的字节流来处理，数据在发送方缓冲区流入，按照序号发送，接收方按照序列号拼接为原始流。

与UDP协议的数据报（一发一收）不同，TCP没有数据的天然边界。

举个例子：如果我们使用TCP发送三次：

send("hello");
send("world");
send("!!!");

接收端可能一次性接收到“helloworld!!!”，也可能收到“hello” + "world!!!"，我们无法预知边界，边界由应用层自己定义和解析。

TCP是为了可靠持续的数据传输而设计的，它把数据当成一个流管道，不关心你发送的是一段话还是一张图。

2.1.7 自带流量控制

什么是流量控制？

  1. 流量控制用于 保护接收端不被发送端压垮，保证发送方根据接收方处理能力进行发送。
  2. TCP使用滑动窗口机制实现流量控制。

工作方式

  1. 每个ACK包中会携带一个 窗口大小（window Size），告诉发送方“我还能接收多少字节”。
  2. 发送方根据这个窗口限制，控制未被确认的数据大小，不会超出接收方的能力。

2.2 UDP协议特点

2.2.1 不可靠传输

UDP协议不提供任何保证数据是否到达、是否按照顺序到达、是否被正确接收，但是UDP协议可以通过应用层面来保障可靠性，这里说的不可靠传输只是站在传输层来看的。

具体表现为：

  • 没有序列号机制：不知道顺序是否错乱。
  • 没有确认应答机制（ACK）：不知道对方是否收到；
  • 没有重传机制：丢了就丢了，不会自动补充发送。
  • 没有连接状态：没有握手、没有断开，只是单纯的发送数据包。

本质理解：UDP协议牺牲了“可靠性”，换来了“低延迟、低资源消耗”，它把是否重传、是否纠错的责任交给了应用程序，例如：实时语音通话丢1、2个字不重发其实也可以听得懂的，但是如果重发了反而会卡顿。

2.2.2 非面向连接

什么是非连接型？

  1. 使用UDP协议不需要“建立连接”。
  2. 直接通过目标IP和端口，把数据报发送出去。
  3. 不维护通信状态，也不会“关闭连接”。

这样设计带来的好处：

  1. 快速、高效，无需三次握手，零延迟发送；
  2. 多播/广播更方便（TCP不支持广播）；
  3. 非常适合服务器并发高的场景（例如DNS服务器）。

本质：UDP就是“开口就说话”，TCP是“打招呼再说话，聊完之后再告别”。

2.2.3 没有分片能力

可以通过应用层来负责对大的数据包进行切片。如果应用层不进行切片，那么就由IP层（网络层）来进行切片。

  1. UDP报文最大长度是65507字节（这是理论上最大，但是实际常常限制在512或者1472字节）。
  2. 超过这个长度，IP层会进行分片，但是UDP协议本身不管重组和丢片。
  3. 任意一个分片丢失，整个UDP报文都会被丢弃。

存在的问题/隐患：

  1. IP层分片极度脆弱。
  2. 没有分片重传机制。
  3. MTU（最大传输单元）稍微不一致就容易丢。

UDP协议的报文尽量保持报文短小，尤其是跨网络传输的时候。

2.2.4 抢占带宽能力强

只要应用层产生数据，就会直接发送出去。同时也是因为没有确认机制，没有像TCP那样的超时重传机制、慢启动这些特点。

为什么说UDP抢占带宽强？

  1. UDP没有 慢启动、拥塞避免、窗口控制 等这些TCP具备的机制；
  2. 一旦开始发送数据，UDP协议就会持续稳定的推送数据，不受对方限制；
  3. 如果应用层高频发送数据，UDP就可以长时间稳定占满链路。

在实际应用场景中：

  1. 在线游戏、直播平台、IPTV广播等依赖 UDP 的“野蛮带宽”能力。
  2. 在TCP存在的网络中，UDP可能会“把它挤掉”。

UDP是 野蛮生长，能不顾网络现状直接抢占带宽，这也是为什么在大型网络中谨慎使用它的原因。

2.2.5 面向数据报

应用的每一次操作，就会对应的产生一个报文，不像TCP那样，可以同时将多次产生的数据，通过数据流的方式传输。

2.2.6 即不挑大也不挑小

含义解释

UDP相比TCP，不关心你发送数据的大小，既不偏好大流量（例如FTP），也不怕小数据（例如游戏心跳包）。

  • 发送10字节和发送1000字节没有本质差别；
  • 应用层把一整块数据塞进来，UDP就一整个发送出去。
  • 不涉及合并、小包延迟（比如TCP的Nagle算法）问题。

这样设计的优势

  1. 适合“短促、频繁的小包通信”。
  2. 也可以用在“流畅、不间断的大包推流”。

UDP是“你给我啥我就发送啥，不管大小”，TCP是“让我优化一下我再发送”。

0x03 协议报文

3.1 TCP协议报文

TCP报文头部最少一共20字节，最多60字节。

TCP报文格式

  1. Source Port：源端口号，16位

    表示发送方（客户端）的端口号。

    用于识别主机上的特定应用程序。

    范围：0～65535，通常大于1024的端口为动态端口。

  2. Destination Port：目的端口号，16位

    表示接收方（服务端）的端口号

    确定目标主机上哪个应用服务要处理此报文。

  3. Sequence Number：序列号，32位

    表示当前发送的数据的第一个字节在整个字节流中的位置编号。

    TCP是基于字节流的，发送的数据每个字节都有序号。

    建立连接时，客户端和服务器各自随机选择初始序列号（ISN）。

    作用：

    • 保证有序传输。
    • 支持丢包重传。
    • 防止旧连接报文干扰。

    序列号管理是TCP实现可靠性核心机制之一。

  4. Acknowledgement Number：确认号，32位

    表示期望接收的下一个字节的序号。

    也就是说，接收方已经成功收到了ack_number - 1的所有数据。

    例如：如果确认号 = 101，则表示我已经收到100，等待的是序号从101开始的数据。

    此字段在flag 中ACK位置位为1时才有效，是实现TCP可靠性的基础之一。

  5. Data Offset：首部长度，4位

    指定TCP报文头的长度，以32位（4字节）为单位。

    最小值为5（即20字节，20字节时没有Options）；

    如果有TCP选项字段（例如MSS、窗口扩大因子），首部长度的值会变大。

    这里是用来分辨报文头和数据部分的边界。

  6. Reserved：保留位，6位

    目前未使用，预留给未来协议扩展使用的。

    必须全为0.

  7. Flags：控制标识位，6位或者9位

    这些flag位用来控制报文的行为，常见的标识位如下：

    标志位名称作用说明
    URG紧急表示紧急数据，配合 Urgent Pointer 使用
    ACK确认表示确认号字段有效
    PSH推送要求立即推送数据给应用程序，不缓冲
    RST重置强制断开连接，通常用于异常终止连接
    SYN同步建立连接时使用，发起握手过程
    FIN终止表示数据发送完成，发起连接终止过程

    例如：SYN + ACK：表示对建立连接的响应。FIN+ACK：表示对断开连接的确认。

  8. Window Size：窗口大小，16位

    告诉对方我还能接收多少字节的数据。

    与cwnd拥塞窗口一起控制TCP的流量控制与拥塞控制。

    实现滑动窗口协议的核心机制。

    大窗口表示接收方处理能力强，小窗口则让发送方放慢速度。

  9. Checksum：校验和，16位

    用于验证整个TCP报文（头部+数据）是否在传输过程中被篡改或损坏。

    检查错误（如位翻转、数据破坏等）。

  10. Urgent Pointer：紧急指针，16位

    指出紧急数据的结尾位置；

    与URG标志位一起使用。

    很少在现实网络中使用（telnet等老协议中可能出现）。

    作用：优先处理某些重要命令，比如远程登录中的中断信号。

  11. Options：可选字段，可变长。

    提供额外的功能扩展。

    常见的选项包括：

    • MSS：最大报文段长度
    • 窗口扩大因子
    • 时间戳
    • SACK：选择性确认

    Options 会影响 Data Offset字段的值。

  12. Data：数据载荷，可变长

    这是实际传输的应用层数据

    长度 = IP总长度 - TCP报头长度

    可达数KB（通常受到MSS和MTU的限制）。

关于 sequence Number 和 Acknowledgment Number 的补充说明

  1. 序列号 Sequence Number

    表示：发送方即将发送的数据字节的编号

    TCP是字节流协议，每一个字节都会编号（不是每个包）

    在建立连接（三次握手）时，客户端和服务端都会随机生成一个初始序列号 ISN （Initial Sequence Number）

    例如：如果客户端发送的数据是 HELLO （一共5个字节），假设初始序列号为 1000， 那么：

    数据内容字节偏移对应序列号
    H01000
    E11001
    L21002
    L31003
    O41004

    报文段中只填 第一个字节的序列号，即这个包的 Sequence Number = 1000

  2. 确认号 Acknowledgment Number

    表示：接收方期望下次收到的字节序号

    本质是：“你发到哪了，我收到了，我现在等着从这个字节开始的新的数据。”

    如果客户端已经成功发送了HELLO（1000～1004），那么服务器会：

    • 回复：ACK报文段，确认号ack_num=1005
    • 表示：“我已经收到了 1000~1004，现在你从1005开始发送吧“。

  3. 在三次握手过程中seq num 和 ack num的变化过程

    步骤谁发送的报文内容seqack说明
    1客户端SYNx-告诉服务器我的起始序列号是x
    2服务器SYN+ACKyx+1告诉客户端我的起始序列是y，并确认你发送的x
    3客户端ACKx+1y+1双方确认无误，建立了连接

  4. 在传输数据时的动态变化过程

    假设场景如下：

    • 客户端的 ISN = 1000
    • 服务端的 ISN = 3000

    客户端发送：

    报文类型seq num数据长度实际字节范围服务端回复ACK num
    SYN10000无SYN+ACK1001
    Data 110015 字节1001～1005Ack1006
    Data 210063字节1006～1008Ack1009

    服务端确认过程：

    • 每次都在 Ack 中告知客户端：”我收到了，下次请从这个字节开始发送“
    • 这就是 滑动窗口确认 的体现。

3.2 UDP协议报文

UDP协议的报文头非常简单，只有8个字节，包含4个字段，这种简洁的结构正是UDP协议高性能、低延迟的关键原因之一。

UDP协议报文格式

  1. 源端口Source Port，16位

    含义：

    • 表示发送方使用的端口号
    • 是操作系统为当前发送进程分配的一个临时端口。
    • 如果发送方不需要接收回应包，该字段可为0（可选字段）

    作用和机制：

    • 在收到回应时，目标主机会将这个端口作为目标来发送回应报文。
    • 用于标识连接到具体进程（类似于TCP端口的作用）

  2. 目标端口Destination Port，16位

    含义：

    • 表示接收方进程监听的端口号
    • 决定UDP数据应该交给哪个进程处理。
    • 一般为服务进程绑定的固定端口

  3. 总长度Length，16位

    含义：

    • 指的是整个UDP报文的总长度（单位：字节）
    • 包括UDP头部（8字节）+ 数据部分
    • 最小值 = 8，仅仅只有头部，没有数据
    • 最大值 = 65535（IP包最大值），但实际不超过MTU（通常 小于 1500字节）

    工作机制：

    • 接收方根据此字段知道数据包有多长，从IP层获得包之后进行解析。
    • 如果实际长度小于 Length，说明包存在损坏，直接丢弃。

  4. 校验和Checksum，16位

    含义：

    • 用于检测 UDP 报文头部和数据在传输过程中是否发生错误。
    • 覆盖范围：
      • UDP头部 + 数据部分
      • 伪首部：源IP、目标IP、协议号、UDP长度等（由IP层提供）

    特点：

    • UDP校验和是可选字段（但是在IPv6是必须的）
    • 如果值为0，表示未启用校验（在IPv4中是允许的）
    • 如果计算结果出错，接收端将直接丢弃该报文，不重传。

    校验机制：接收方对收到的数据再次计算校验和，与包中的校验和字段进行对比：

    • 如果一致，则说明数据为损坏。
    • 如果不一致，则丢弃，且不重传。

  5. 数据部分Data，可变长度

    含义：

    • 实际传输的有效数据。
    • 通常是来自上层协议的数据，比如DNS查询报文、音频帧、视频帧、游戏状态等。

    特点：

    • 没有分段或顺序机制，完全依赖于应用层解释。
    • 最大长度一般不超过1472字节（受限于 MTU - IP + UDP头部）
    • 如果超过，则需要应用层自定义“分片重组逻辑”。
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