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网络编程

创建: 2025年09月29日 09:28:21
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UDP 和 TCP 的区别 ​

TCP 重可靠，UDP 图快。两者都在传输层，但设计哲学完全不一样。

TCP（Transmission Control Protocol）

  • 面向连接：三次握手先把关系确认好，再开始传数据。
  • 可靠传输：有序、无丢包、无重复，靠重传和序号保证。
  • 有流量控制和拥塞控制：防止把对方冲爆。
  • 应用场景：文件传输（FTP）、网页（HTTP/HTTPS）、邮件（SMTP、IMAP）。

TCP 像寄快递，先打电话确认地址 → 发件 → 对方签收 → 丢件还能重发。

UDP（User Datagram Protocol）

  • 无连接：直接丢包出去，不管对方有没有准备好。
  • 不保证可靠：可能丢包、乱序、重复，需要应用层自己处理。
  • 轻量、开销小：没有握手、没有确认，速度快。
  • 应用场景：实时性要求高的场景，视频会议、语音通话、在线游戏、广播。

UDP 像往人群里扔纸飞机——发得快，丢不丢接不接全看运气。

TCP 三次握手机制及报文 ​

为了保证客户端和服务端双方都清楚：我能发、你能收、你也能发、我也能收。
三次握手就是一个互相确认通信能力的过程。

三次握手过程

  1. 第一次握手：客户端 → 服务端
    发送 SYN 报文，表示“我要连你，序号是 seq=x”

    客户端告诉服务端：我能发数据。

  2. 第二次握手：服务端 → 客户端
    回复 SYN + ACK，表示“收到啦，确认号 ack=x+1，序号 seq=y”

    服务端告诉客户端：我能收数据，而且我也要连你。

  3. 第三次握手：客户端 → 服务端
    发送 ACK，确认号 ack=y+1

    客户端告诉服务端：我能收你的数据，连接建立完毕。

此时，双方都准备好，TCP 进入 ESTABLISHED 状态，可以开始愉快收发数据。

报文里的关键字段

  • SYN：同步序列号，用来建立连接。
  • ACK：确认应答，告诉对方我收到了。
  • seq：序列号，标记当前发送的数据包。
  • ack：确认号，告诉对方我期望接收的下一个数据包序号。

如果只有两次，可能会出现历史连接的报文被服务器当成新连接响应，造成资源浪费（典型 SYN Flood 攻击场景）。
第三次握手是为了让客户端确认：服务端的应答是给我的，而且是最新的。

TCP 四次挥手机制（断开连接） ​

三次握手建立连接后，断开连接要四次挥手，因为 TCP 是全双工的，双方都要单独关闭自己的发送通道。
服务端可能还有没发完的数据，所以客户端发 FIN 后不能直接关闭，必须等服务端自己也发 FIN 表示“我也发完了”，再做最后的确认。

四次挥手过程

  1. 第一次挥手：客户端 → 服务端
    发送 FIN 报文，seq=u

    客户端说：我已经没有数据要发了，但我还能接收你的数据。

  2. 第二次挥手：服务端 → 客户端
    回复 ACK 报文，ack=u+1

    服务端说：收到，你先等一下，我可能还有数据要发。

（此时客户端进入 FIN_WAIT_2 状态，等待服务端的数据发完）

  1. 第三次挥手：服务端 → 客户端
    发送 FIN 报文，seq=v

    服务端说：我也发完了，可以断了。

  2. 第四次挥手：客户端 → 服务端
    回复 ACK 报文，ack=v+1

    客户端说：收到确认，我也断开了。

客户端此时进入 TIME_WAIT 状态，等待 2MSL 确保服务端收到了最后的 ACK，然后彻底关闭。

TIME_WAIT：四次挥手最后，客户端并不是立刻就释放连接，而是进入一个“等待状态”，等一小段时间才真正关闭。

MSL（Maximum Segment Lifetime）：报文最大生存时间，也就是一个 TCP 报文在网络中能存在的最长时间。超过这个时间报文就会被丢弃。

2MSL：就是 MSL 的两倍。TCP 规定要等两倍的时间，原因有两点：

  1. 保证最后那个 ACK 能到达服务端
    如果服务端没收到 ACK，会重发 FIN。客户端留在 TIME_WAIT 状态，可以重新发 ACK，避免服务端一直重发。

  2. 避免旧连接的数据干扰新连接
    等两倍时间，能确保网络中旧连接的报文都自然消亡，再用同样的四元组（源 IP、源端口、目标 IP、目标端口）建新连接就不会混淆。

为什么是客户端进入 TIME_WAIT

一般来说，主动关闭连接的一方进入 TIME_WAIT。因为它发出了最后一个 ACK，必须保证对方收到了，不然对方会重发 FIN。

TCP/IP 模型 ​

协议是规则，分层是分工。
TCP/IP 模型就是把“从你写出一条消息到对方能正确看到它”这条链拆成几层，每层负责不同的事，减少混乱。

如果没有统一规则，对方可能不知道从哪里开始读、读多少、什么时候结束。中间丢一块就收不全，甚至一直等待。即便收到了，也不知道数据是文字、图片还是语音。

分层能让复杂问题拆开，每层专心做好一件事：

  • 上层只管我要说什么，不管怎么送。
  • 下层只管怎么送到，不管内容是什么。

这样每层都能独立演化，互相不影响。

比起教科书的 OSI 七层，TCP/IP 模型更贴近实际网络实现，常见划分是四层：

  1. 网络接口层
    负责直接和物理网络打交道，把比特流丢到网卡、WiFi、以太网上。
    协议：以太网、PPP、ARP。
  2. 网络层
    负责寻址和路由，把数据送到对的机器。
    核心协议：IP，还有 ICMP（Ping 就用它）。
  3. 传输层
    负责端到端通信，保证数据按顺序、完整到达，或者只管快速送达。
    核心协议：TCP（可靠）、UDP（不可靠）。
  4. 应用层
    直接面向用户，定义数据内容和语义。
    协议：HTTP、FTP、SMTP、DNS。

可以把 TCP/IP 模型看成 OSI 七层模型的简化版：

  • 上三层（应用/表示/会话）合并成应用层
  • 下两层（数据链路/物理）合并成网络接口层

每层解决的问题

层级负责的事
网络接口层把 0/1 比特正确放上网线/空中并接收回来
网络层找到目标机器，决定走哪条路
传输层保证数据顺序、重发丢包，或者快速发完不管
应用层定义数据长什么样，怎么解释

对比 OSI 七层模型

OSI 七层TCP/IP 四层
应用层、表示层、会话层应用层
传输层传输层
网络层网络层
数据链路层、物理层网络接口层

TCP/IP 把上三层合并成“应用层”，把下两层合并成“网络接口层”。

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