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TCP 和 UDP 协议的通信解析

一、TCP 通信阶段(面向连接)

1. 连接建立阶段(三次握手)

sequenceDiagramClient->>Server: SYN(seq=x)Server->>Client: SYN-ACK(seq=y, ack=x+1)Client->>Server: ACK(ack=y+1)
 
 
  • 关键步骤
    • 客户端发送 SYN(同步序列号)
    • 服务端回应 SYN-ACK(确认客户端序列号+1)
    • 客户端发送最终 ACK(确认服务端序列号+1)
  • 状态变迁
    • 客户端:CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED
    • 服务端:LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED

2. 数据传输阶段

graph LRA[发送数据] --> B[等待ACK]B -->|超时未确认| AB -->|收到ACK| C[滑动窗口移动]
 
 
  • 核心机制
    • 可靠传输:序列号确认(SEQ/ACK)
    • 流量控制:窗口大小通告(Window Size)
    • 拥塞控制:慢启动/快重传/快恢复
  • 数据特征
    • 字节流传输(无明确报文边界)
    • 支持全双工通信(双向数据流动)

3. 连接终止阶段(四次挥手)

sequenceDiagramClient->>Server: FIN(seq=u)Server->>Client: ACK(ack=u+1)Server->>Client: FIN(seq=v)Client->>Server: ACK(ack=v+1)
 
 
  • 关键步骤
    • 主动关闭方发送 FIN
    • 被动关闭方先回 ACK,后发 FIN
    • 最终双方确认关闭
  • 状态变迁
    • 主动方:ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED
    • 被动方:ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

4. 特殊状态(TIME_WAIT)

  • 持续时长:2*MSL(Maximum Segment Lifetime,默认60秒)
  • 作用:
    • 确保最后一个ACK能到达
    • 让旧连接的重复报文过期

二、UDP 通信阶段(无连接)

1. 单阶段通信模型

graph TDA[发送数据报] --> B[接收数据报]B -->|可能丢失| C[无重传]B -->|可能乱序| D[应用层处理]
 
 
  • 核心特征
    • 无需建立连接(直接发送)
    • 无状态维护(服务端不记录客户端信息)
    • 每个数据报独立处理

2. 伪连接实现(应用层)

  • 某些基于UDP的协议(如QUIC)在应用层实现:
    • 连接ID标识会话
    • 自定义重传机制
    • 加密握手过程

三、协议阶段对比

对比项 TCP UDP
连接建立 需要三次握手 无连接建立阶段
数据传输 可靠有序的字节流 不可靠无序的数据报
状态维护 维护连接状态(序列号、窗口等) 无状态
连接终止 需要四次挥手 无终止过程
资源消耗 高(缓冲区、定时器等)
典型延迟 高(握手/挥手开销)

四、编程视角的关键差异

1. TCP 套接字API流程

graph TBServer[服务端] --> s1[socket()]s1 --> s2[bind()]s2 --> s3[listen()]s3 --> s4[accept()] --> s5[recv()/send()]s5 --> s6[close()]Client[客户端] --> c1[socket()]c1 --> c2[connect()]c2 --> c3[send()/recv()]c3 --> c4[close()]
 
 

2. UDP 套接字API流程

graph TBServer[服务端] --> s1[socket()]s1 --> s2[bind()]s2 --> s3[recvfrom()] --> s4[sendto()]Client[客户端] --> c1[socket()]c1 --> c2[sendto()] --> c3[recvfrom()]
 
 

五、典型问题分析

1. TCP 半关闭问题

  • 场景:一方调用 shutdown(SHUT_WR) 后仍可接收数据
  • 状态:进入 FIN_WAIT_1FIN_WAIT_2 状态
  • 编程注意:需正确处理 recv() 返回0的情况

2. UDP 粘包/丢包处理

  • 解决方案
    • 添加应用层头部(包含长度字段)
    • 实现超时重传机制
    • 使用序列号标识数据报
  • 示例协议:TFTP(简单文件传输协议)
http://www.hskmm.com/?act=detail&tid=35623

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