TCP/IP协议详解
💡 核心结论
TCP三次握手建立连接，四次挥手断开连接
TCP通过序列号、确认号、重传实现可靠传输
滑动窗口控制流量，慢启动和拥塞避免控制拥塞
TIME_WAIT状态防止旧连接数据包干扰新连接
UDP无连接、不可靠，但延迟低，适合实时应用
1. TCP/IP模型
1.1 四层模型
应用层 HTTP, FTP, DNS, SMTP
↓
传输层 TCP, UDP
↓
网络层 IP, ICMP, ARP
↓
链路层 Ethernet, WiFi
1.2 数据封装
应用数据
↓
[TCP头部 | 应用数据] TCP段（Segment）
↓
[IP头部 | TCP头部 | 应用数据] IP数据包（Packet）
↓
[以太网头部 | IP数据包 | 尾部] 以太网帧（Frame）
2. TCP协议
2.1 TCP头部格式
struct tcp_header {
uint16_t source_port; // 源端口
uint16_t dest_port; // 目标端口
uint32_t seq_num; // 序列号
uint32_t ack_num; // 确认号
uint8_t data_offset : 4; // 头部长度
uint8_t reserved : 4; // 保留
uint8_t flags; // 标志位
// URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN
uint16_t window; // 窗口大小
uint16_t checksum; // 校验和
uint16_t urgent_ptr; // 紧急指针
// 可选项...
};
关键字段：
seq_num：本次发送数据的第一个字节的序列号
ack_num：期望接收的下一个字节的序列号
flags：控制标志（SYN, ACK, FIN, RST等）
window：接收窗口大小
2.2 三次握手
客户端 服务器
│ │
│── SYN seq=x ───────────────────────→ │ LISTEN
│ │ SYN_RCVD
│←─ SYN+ACK seq=y, ack=x+1 ────────── │
│ │
│── ACK seq=x+1, ack=y+1 ────────────→ │ ESTABLISHED
│ │
ESTABLISHED ESTABLISHED
为什么是三次？
第一次：客户端告诉服务器”我要连接你”
第二次：服务器回复”我收到了，我也要连接你”
第三次：客户端确认”好的，连接建立”
防止历史连接：
如果只有两次握手：
1. 客户端发送SYN（但网络延迟）
2. 客户端超时重发SYN
3. 服务器收到第二个SYN，回复SYN+ACK
4. 连接建立，正常通信
5. 第一个延迟的SYN到达服务器
6. 服务器又建立一个连接（错误！）
三次握手可以让客户端拒绝旧的SYN+ACK
代码示例：
// 客户端
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr);
// 发起三次握手
connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
2.3 四次挥手
客户端 服务器
│ │
│── FIN seq=u ───────────────────────→ │ CLOSE_WAIT
FIN_WAIT_1 │
│ │
│←─ ACK ack=u+1 ──────────────────── │
FIN_WAIT_2 │
│ │
│←─ FIN seq=v ───────────────────── │ LAST_ACK
TIME_WAIT │
│ │
│── ACK ack=v+1 ────────────────────→ │ CLOSED
│ │
│ (等待2MSL) │
CLOSED │
为什么是四次？
TCP是全双工，双方都需要关闭
第一次：客户端说”我发完了”（FIN）
第二次：服务器说”我知道了”（ACK）
第三次：服务器说”我也发完了”（FIN）
第四次：客户端说”我知道了”（ACK）
TIME_WAIT状态：
持续时间：2MSL（Maximum Segment Lifetime，通常60秒）
目的：
确保最后的ACK到达对方
让旧连接的数据包在网络中消失
代码示例：
// 关闭连接
close(sockfd); // 触发四次挥手
// 避免TIME_WAIT的socket复用
int reuse = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));
2.4 可靠传输
序列号和确认号：
发送方: seq=100, 发送100字节
接收方: ack=200 (期望接收第200字节)
发送方: seq=200, 发送50字节
接收方: ack=250
序列号标识数据位置，确认号确认收到
超时重传：
// 简化的重传机制
struct retransmit {
uint32_t seq;
uint8_t* data;
int len;
struct timeval send_time;
int retries;
};
void check_timeout() {
struct timeval now;
gettimeofday(&now, NULL);
for (packet in sent_queue) {
if (now - packet.send_time > RTO) {
// 超时，重传
send_packet(packet);
packet.retries++;
packet.send_time = now;
}
}
}
快速重传：
接收方收到乱序包时，立即发送重复ACK
发送方收到3个重复ACK，立即重传
（不等超时）
seq=100 ───→ ✓ ack=200
seq=200 ───→ ✗ 丢失
seq=300 ───→ ✓ ack=200 (重复1)
seq=400 ───→ ✓ ack=200 (重复2)
seq=500 ───→ ✓ ack=200 (重复3)
seq=200 ───→ ✓ 快速重传！
2.5 流量控制（滑动窗口）
原理：接收方告诉发送方自己的缓冲区大小
接收方:
recv_window = BUFFER_SIZE - (next_seq - acked_seq)
在TCP头部的window字段通知发送方
发送方:
send_window = min(recv_window, cwnd) // cwnd是拥塞窗口
只能发送send_window大小的数据
示例:
接收方缓冲区: 4KB
已接收未处理: 2KB
→ 通告窗口: 2KB
发送方最多再发2KB数据
零窗口探测：
// 接收方窗口为0
while (recv_window == 0) {
// 发送方定期发送1字节探测包
send_probe();
sleep(probe_interval);
}
2.6 拥塞控制
四个算法：
1. 慢启动（Slow Start）
初始cwnd = 1 MSS
每收到一个ACK，cwnd += 1
指数增长: 1 → 2 → 4 → 8 → 16 ...
到达ssthresh（慢启动阈值）后，进入拥塞避免
2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）
线性增长: cwnd += 1/cwnd (每RTT增加1)
16 → 17 → 18 → 19 ...
如果发生超时:
ssthresh = cwnd / 2
cwnd = 1
重新慢启动
3. 快速重传（Fast Retransmit）
收到3个重复ACK:
立即重传丢失的包
进入快速恢复
4. 快速恢复（Fast Recovery）
收到3个重复ACK后:
ssthresh = cwnd / 2
cwnd = ssthresh + 3
线性增长
收到新ACK:
cwnd = ssthresh
进入拥塞避免
拥塞控制图示：
cwnd
│ 慢启动 │ 拥塞避免 │快速恢复│拥塞避免
│ / │ / │/ │ /
│ / │ / │ │/
│ / │/ │ │
│ / ↓ 3个重复ACK │ │
│/ │ ↓ │
└───────────────────────────────────→ 时间
3. UDP协议
3.1 UDP头部格式
struct udp_header {
uint16_t source_port; // 源端口 (2字节)
uint16_t dest_port; // 目标端口 (2字节)
uint16_t length; // UDP长度 (2字节)
uint16_t checksum; // 校验和 (2字节)
// 数据部分...
};
// 总共只有8字节！
3.2 UDP特点
优点：
✅ 无连接，无握手开销
✅ 低延迟（无重传等待）
✅ 头部简单（只有8字节）
✅ 支持广播和多播
缺点：
❌ 不可靠（可能丢包、乱序、重复）
❌ 无流量控制
❌ 无拥塞控制
3.3 UDP vs TCP
特性 |
TCP |
UDP |
|---|---|---|
连接 |
面向连接 |
无连接 |
可靠性 |
可靠 |
不可靠 |
顺序 |
有序 |
可能乱序 |
速度 |
慢（头部20-60字节） |
快（头部8字节） |
应用 |
HTTP, FTP, SSH |
DNS, 视频, 游戏 |
3.4 UDP应用场景
✅ DNS查询：单个数据包，丢包重查即可
✅ 视频直播：实时性优先，丢几帧无所谓
✅ 在线游戏：低延迟优先，丢包插值
✅ VoIP：实时语音，延迟>可靠性
✅ DHCP：简单请求-响应
❌ 文件传输：需要可靠性
❌ 网页浏览：需要完整数据
❌ 邮件：需要可靠性
3.5 UDP编程示例
// UDP服务器
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
char buffer[1024];
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
while (1) {
int n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0,
(struct sockaddr*)&client_addr, &addr_len);
printf("Received: %s\n", buffer);
sendto(sockfd, buffer, n, 0,
(struct sockaddr*)&client_addr, addr_len);
}
// UDP客户端
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr);
const char* message = "Hello UDP";
sendto(sockfd, message, strlen(message), 0,
(struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
char buffer[1024];
int n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, NULL, NULL);
printf("Response: %s\n", buffer);
4. IP协议
4.1 IP地址
IPv4：
32位，4个字节
点分十进制：192.168.1.1
网络部分 + 主机部分
A类：0.0.0.0 - 127.255.255.255
B类：128.0.0.0 - 191.255.255.255
C类：192.0.0.0 - 223.255.255.255
子网掩码：255.255.255.0 (/24)
网络地址：192.168.1.0
广播地址：192.168.1.255
可用主机：192.168.1.1 - 192.168.1.254
IPv6：
128位，16个字节
冒号十六进制：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
简化：
2001:db8:85a3::8a2e:370:7334
（连续的0可省略）
4.2 IP数据包格式
struct ip_header {
uint8_t version : 4; // 版本号 (4)
uint8_t ihl : 4; // 头部长度
uint8_t tos; // 服务类型
uint16_t total_length; // 总长度
uint16_t identification; // 标识
uint16_t flags : 3; // 标志
uint16_t fragment_offset : 13; // 片偏移
uint8_t ttl; // 生存时间
uint8_t protocol; // 协议 (TCP=6, UDP=17)
uint16_t checksum; // 校验和
uint32_t source_ip; // 源IP
uint32_t dest_ip; // 目标IP
// 可选项...
};
4.3 IP路由
路由表：
# 查看路由表
$ route -n
Destination Gateway Genmask Flags Iface
0.0.0.0 192.168.1.1 0.0.0.0 UG eth0
192.168.1.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U eth0
# 路由选择：最长前缀匹配
目标: 192.168.1.100
匹配: 192.168.1.0/24（更具体）→ 直接投递
不匹配: 0.0.0.0/0 → 默认网关
4.4 NAT（网络地址转换）
内网 → 外网
源IP: 192.168.1.100:5000
NAT转换: 203.0.113.5:60000
目标IP: 8.8.8.8:53
外网 → 内网
源IP: 8.8.8.8:53
目标IP: 203.0.113.5:60000
NAT转换: 192.168.1.100:5000
NAT表:
内部地址:端口 外部地址:端口
192.168.1.100:5000 ↔ 203.0.113.5:60000
192.168.1.101:6000 ↔ 203.0.113.5:60001
5. 常见问题
Q1: 为什么TIME_WAIT要等2MSL？
A:
确保最后的ACK到达（如果丢失，对方会重发FIN，需要能接收并回复）
让旧连接的数据包在网络中消失
Q2: 如何减少TIME_WAIT？
A:
调整
tcp_tw_reuse和tcp_tw_recycle（需谨慎）使用SO_REUSEADDR
客户端使用短连接，由客户端主动关闭
Q3: TCP为什么需要Nagle算法？
A:
合并小包，减少网络拥塞
但增加延迟，交互式应用需禁用（TCP_NODELAY）
Q4: 为什么UDP不可靠但还要用？
A:
低延迟优先级高于可靠性（实时应用）
可以在应用层实现可靠性（如QUIC）
6. 性能优化
6.1 TCP优化
# 增大缓冲区
sysctl -w net.core.rmem_max=16777216
sysctl -w net.core.wmem_max=16777216
# TCP窗口缩放
sysctl -w net.ipv4.tcp_window_scaling=1
# 快速回收TIME_WAIT
sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_reuse=1
# SYN队列大小
sysctl -w net.ipv4.tcp_max_syn_backlog=8192
# 连接队列大小
sysctl -w net.core.somaxconn=1024
6.2 应用层优化
// TCP_NODELAY: 禁用Nagle算法
int flag = 1;
setsockopt(sockfd, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, &flag, sizeof(flag));
// SO_KEEPALIVE: 保活机制
int keepalive = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &keepalive, sizeof(keepalive));
// SO_RCVBUF: 接收缓冲区
int bufsize = 8192;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &bufsize, sizeof(bufsize));
参考资源
《TCP/IP详解 卷1：协议》
RFC 793 (TCP)
RFC 768 (UDP)
Linux源码：
net/ipv4/tcp.cWireshark实战教程