计算机网络——TCP/UDP 协议（网络可靠性）

TCP/UDP协议

内容

• TCP三次握手、四次挥手

• TCP可靠传输机制（确认应答、重传、华东窗口）

• UDP特点（快、不可靠、适合音视频）

• 端口号的作用（如80、443、3306）

一、TCP协议

1. 基本特点

• 面向连接

• 可靠传输

• 字节流

• 全双工通信

• 流量控制

• 拥塞控制

2. TCP三次握手

建立可靠的链接，确保双方都能发送和接收数据

握手流程

客户端 → SYN(seq=x) → 服务器

服务器 → SYN-ACK(seq=y,ack=x+1) → 客户端

客户端 → ACK(ack=y+1) → 服务器

• SYN：同步标志位，表示请求建立链接

• SYN-ACK：服务器回应同步，并确认收到客户端的请求

• ACK：客户端确认收到服务器的响应，连接建立完成

原理和意义

• 确保双方都能发送和接收数据

• 防止已失效的连接请求突然传入造成资源浪费

常见问题

• SYN Flood攻击：攻击者伪造大量SYN请求，耗尽服务器资源

• 半连接队列满：服务器维护SYN_RCVD状态的连接过多导致拒绝服务

3. TCP四次挥手

断开链接，释放资源

挥手流程

客户端 → FIN → 服务器

服务器 → ACK → 客户端

服务器 → FIN → 客户端

客户端 → ACK → 服务器

• FIN：一方提出关闭连接请求

• ACK：另一方确认收到关闭请求

• 最终双方都发送FIN并受到ACK后，连接彻底断开

原理

• TCP是全双工通信，每一方都需要独立地关闭自己的发送通道

• 最后一次ACK可能丢失，所以客户端进入FIN-WAIT-1、CLOSE-WAIT、LAST-ACK、TIME-WAIT 等状态

常见问题

• 大量 TIME_WAIT 状态：占用本地端口资源，影响新连接建立

• FIN 不回复 ACK 导致连接无法释放

4.TCP连接状态机

状态	含义
CLOSED	初始状态
LISTEN	服务器监听
SYN_SENT	客户端发送 SYN
SYN_RCVD	服务器收到 SYN 并发送 SYN-ACK
ESTABLISHED	连接建立成功
FIN_WAIT_1	客户端发送 FIN
CLOSE_WAIT	服务器收到 FIN，等待应用层关闭
LAST_ACK	服务器发送 FIN，等待最后 ACK
FIN_WAIT_2	客户端等待对方发送 FIN
TIME_WAIT	客户端收到对方 FIN 并发送 ACK 后的状态
CLOSING	同时关闭连接

TIME_WAIT的作用

• 确保最后一个ACK能被对方收到

• 防止旧连接的报文段干扰新连接

5. TCP可靠传输机制

TCP能够保证数据“有序、无差错、不丢失”，这得益于以下三大机制：

1. 确认应答机制（ACK）

   每收到一段数据后，接收方会发送一个确认报文（ACK），告诉发送方“我已收到”

2. 重传机制（Retransmission）

   如果发送发在一定时间内没有收到ACK，就会重新发送该段数据

   • 超时重传

   • 快速重传（收到三个重复的ACK就触发）

3. 滑动窗口机制（Sliding Window）

   控制一次可以发送的数据量，提高效率并避免接收方缓冲区溢出

   • 窗口大小=接收方剩余缓冲区大小

   • 发送方可连接发送多个数据包，无需等待每个ACK

4. 流量控制（Flow Control）

   • 接收方通过通告窗口大小来控制发送速率

5. 拥塞控制（Congestion Control）

   • 慢启动（Slow Start）

   • 拥塞避免（Congestion Avoidance）

   • 快重传 & 快恢复（Fast Recovery）

二、UDP协议

1.基本特点

• 无连接

• 不可靠传输

• 数据可能乱序或丢失

• 无拥塞控制

• 报文面向消息

2.适用场景

• 实时音视频童话（容忍少量丢包，延迟敏感）

• DNS查询

• DHCP分配IP地址

• 在线游戏

三、TCP和UDP对比总结

特性	TCP	UDP
是否连接	面向连接	无连接
是否可靠	可靠传输	不可靠传输
是否有序	有序到达	无序到达
是否拥塞控制	有	无
是否流量控制	有	无
数据形式	字节流	报文
速度	较慢	快
开销	头部较大，开销多	头部小，开销低
应用场景	HTTP、FTP、SMTP	视频会议、直播、DNS

四、端口号的作用和分类

1.端口号的意义

• 标识主机上的某个应用程序

• 区分不同的服务（如Web、数据库、SSH）

2. 端口号的分类

类别	范围	用途
系统端口（Well-known Ports）	0 - 1023	IANA 分配给标准服务（如 HTTP:80、HTTPS:443）
注册端口（Registered Ports）	1024 - 49151	由第三方注册使用的端口（如 MySQL:3306）
动态/私有端口（Dynamic/Private Ports）	49152 - 65535	临时分配，常用于客户端连接

3.常见端口

常见端口	对应服务
21	FTP（文件传输）
22	SSH（远程登录）
25	SMTP（邮件发送）
53	DNS（域名解析）
80	HTTP（网页访问）
443	HTTPS（安全网页）
3306	MySQL（数据库）
6379	Redis（缓存服务）

五、具体问题

场景 1：前端调用后端接口提示“连接超时”

• 使用 telnet ip port 检查端口是否通

• 如果不通，可能是防火墙限制或服务未启动

• 如果通但没响应，可能是应用逻辑卡住或 TCP 握手失败

场景 2：运维发现服务器上存在大量 TIME_WAIT 连接

• 说明连接频繁创建又关闭

• 可优化内核参数（如 tcp_tw_reuse、tcp_tw_recycle）

场景 3：在线游戏使用 TCP 出现卡顿

• TCP 重传机制导致延迟增加

• 改为 UDP + 自定义重传机制，提升实时性

场景 4：开发人员部署服务在 8080 端口，浏览器访问失败

• 检查服务是否正常运行

• 使用 netstat -tulnp | grep 8080 查看端口监听情况

• 使用 curl http://localhost:8080 本地测试

TCP 是可靠的、面向连接的协议，适用于需要数据完整性与顺序性的场景；UDP 是快速、不可靠的协议，适用于对延迟敏感的应用。掌握它们的工作机制、状态转换、抓包分析技巧，是网络编程和故障排查的基础能力。