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：

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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 SYN、ACK、FIN、RST 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。

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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。

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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。

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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。