# TCP/IP协议详解 ## 💡 核心结论 1. **TCP三次握手建立连接，四次挥手断开连接** 2. **TCP通过序列号、确认号、重传实现可靠传输** 3. **滑动窗口控制流量，慢启动和拥塞避免控制拥塞** 4. **TIME_WAIT状态防止旧连接数据包干扰新连接** 5. **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 ```c 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？** 1. **第一次**：客户端告诉服务器"我要连接你" 2. **第二次**：服务器回复"我收到了，我也要连接你" 3. **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**： ```c // 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： 1. 确保最后的ACK到达对方 2. 让旧连接的数据包在网络中消失 **代码示例**： ```c // 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**： ```c // 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 ```text 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**： ```c // 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 ```c 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 ```c // 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 ```c 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**： ```bash # 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**: 1. 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） 2. 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 ```bash # 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 ```c // 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.c` - Wireshark实战教程