TCP 和 UDP

一、TCP（传输控制协议）

1. TCP 的特点

✅ 面向连接 - 建立连接后才能通信
✅ 可靠传输 - 保证数据不丢失、不重复、有序到达
✅ 全双工通信 - 双向数据传输
✅ 流量控制 - 通过滑动窗口控制发送速度
✅ 拥塞控制 - 根据网络状况调整发送速率

2. TCP 三次握手

建立连接过程：

客户端                          服务端
  |                               |
  |----SYN(seq=x)--------------->|
  |                               | 进入 SYN_RCVD
  |<--SYN+ACK(seq=y, ack=x+1)----|
  |                               | 进入 ESTABLISHED
  |----ACK(ack=y+1)-------------->|
  |                               |
  进入 ESTABLISHED                |

详细说明：

第一次握手：客户端发送 SYN（seq=x）到服务端，客户端进入 SYN_SENT
第二次握手：服务端发送 SYN+ACK（seq=y, ack=x+1）到客户端，服务端进入 SYN_RCVD
第三次握手：客户端发送 ACK（ack=y+1）到服务端，双方进入 ESTABLISHED

为什么需要三次握手？

防止旧的连接请求到达服务端（序列号验证）
确保双方都能发送和接收数据（确认双方的发送和接收能力）
同步初始序列号

如果只有两次握手会怎样？

无法确认客户端的接收能力
可能接受旧的连接请求，导致数据混乱

3. TCP 四次挥手

断开连接过程：

客户端                          服务端
  |                               |
  |----FIN(seq=x)--------------->|
  |                               | 进入 CLOSE_WAIT
  |<--ACK(ack=x+1)---------------|
  |                               |
  |<--FIN(seq=y)-----------------|
  |                               | 进入 LAST_ACK
  |----ACK(ack=y+1)-------------->|
  |                               | 进入 CLOSED
  进入 TIME_WAIT                 |
  等待 2MSL                      |
  进入 CLOSED                    |

详细说明：

第一次挥手：客户端发送 FIN（seq=x）到服务端，客户端进入 FIN_WAIT_1
第二次挥手：服务端发送 ACK（ack=x+1）到客户端，服务端进入 CLOSE_WAIT，客户端进入 FIN_WAIT_2
第三次挥手：服务端发送 FIN（seq=y）到客户端，服务端进入 LAST_ACK
第四次挥手：客户端发送 ACK（ack=y+1）到服务端，客户端进入 TIME_WAIT，服务端进入 CLOSED

为什么需要四次挥手？

全双工通信，需要分别关闭发送和接收通道
客户端发送 FIN，服务端可能还有数据要发送
服务端发送完数据后再发送 FIN

TIME_WAIT 的作用？

确保最后的 ACK 到达服务端（如果丢失，服务端会重发 FIN）
防止旧连接的包影响新连接
等待时间通常是 2MSL（Maximum Segment Lifetime）

为什么 TIME_WAIT 是 2MSL？

确保 ACK 和可能的重传 FIN 都能在网络中消失
MSL 是数据包在网络中的最大生存时间

4. TCP 可靠传输机制

1. 确认应答（ACK）

接收方收到数据后发送 ACK 确认
序列号用于保证数据有序

2. 超时重传

发送方等待 ACK 超时后重传数据
超时时间根据网络状况动态调整（RTT - Round Trip Time）

3. 滑动窗口

允许发送方连续发送多个数据包，无需等待每个 ACK
接收方通过窗口大小控制发送方的发送速度

滑动窗口示例：

发送方窗口：[1][2][3][4][5]
            ↑已发送并确认
            ↑已发送未确认
            ↑可发送
            ↑窗口外

接收方窗口：[1][2][3][4]
            ↑已接收
            ↑可接收

4. 拥塞控制

慢启动（Slow Start） - 初始拥塞窗口较小，指数增长
拥塞避免（Congestion Avoidance） - 达到阈值后线性增长
快速重传（Fast Retransmit） - 收到 3 个重复 ACK 后立即重传
快速恢复（Fast Recovery） - 快速重传后进入恢复阶段

拥塞控制算法：

1. 慢启动阶段：
   cwnd = 1, 2, 4, 8, 16, ... (指数增长)
   
2. 达到阈值（ssthresh）后进入拥塞避免：
   cwnd = cwnd + 1/cwnd (线性增长)
   
3. 检测到拥塞：
   ssthresh = cwnd / 2
   cwnd = 1 (重新慢启动)

5. TCP 头部结构

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
| Source Port  | Destination Port                              |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Sequence Number                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Acknowledgment Number                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
| Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
|       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Checksum            |         Urgent Pointer        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

关键字段：

Source Port / Destination Port - 源端口/目标端口
Sequence Number - 序列号
Acknowledgment Number - 确认号
Data Offset - 数据偏移
Flags - 控制标志（SYN、ACK、FIN、RST 等）
Window - 窗口大小
Checksum - 校验和

二、UDP（用户数据报协议）

1. UDP 的特点

✅ 无连接 - 不需要建立连接
✅ 快速 - 开销小，速度快
✅ 简单 - 协议简单
❌ 不可靠 - 不保证数据到达
❌ 无序 - 不保证数据顺序

2. UDP 头部结构

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          Source Port          |       Destination Port        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|            Length             |           Checksum            |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

字段：

Source Port - 源端口（可选）
Destination Port - 目标端口
Length - UDP 头部和数据长度
Checksum - 校验和（可选）

3. UDP 的应用场景

适用场景：

✅ DNS 查询 - 快速查询，失败可重试
✅ 视频流 - 允许少量丢包
✅ 在线游戏 - 低延迟要求
✅ 广播/组播 - 一对多通信
✅ 实时通信 - 语音、视频通话

不适用场景：

❌ 文件传输（需要可靠性）
❌ 网页浏览（需要可靠性）
❌ 数据库连接（需要可靠性）

三、TCP vs UDP

1. 对比表

特性	TCP	UDP
连接	面向连接	无连接
可靠性	可靠	不可靠
有序性	有序	无序
速度	较慢	较快
开销	较大	较小
头部大小	20 字节	8 字节
流量控制	✅	❌
拥塞控制	✅	❌
应用场景	HTTP、FTP、SMTP	DNS、视频流、游戏

2. 选择原则

选择 TCP：

需要可靠传输
需要有序传输
可以接受延迟
文件传输、网页浏览

选择 UDP：

需要低延迟
可以接受少量丢包
实时性要求高
视频流、在线游戏

3. 性能对比

TCP：

建立连接需要时间（三次握手）
需要维护连接状态
需要确认和重传
有拥塞控制，可能降低速度

UDP：

无需建立连接
无状态，开销小
无确认和重传
无拥塞控制，速度更快

四、TCP 状态转换

1. TCP 状态

客户端状态：

CLOSED - 关闭
SYN_SENT - 发送 SYN 后
ESTABLISHED - 连接建立
FIN_WAIT_1 - 发送 FIN 后
FIN_WAIT_2 - 收到 FIN 的 ACK 后
TIME_WAIT - 等待 2MSL
CLOSED - 关闭

服务端状态：

CLOSED - 关闭
LISTEN - 监听
SYN_RCVD - 收到 SYN 后
ESTABLISHED - 连接建立
CLOSE_WAIT - 收到 FIN 后
LAST_ACK - 发送 FIN 后
CLOSED - 关闭

2. 状态转换图

客户端：
CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED

服务端：
CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

五、TCP 优化

1. 连接优化

TCP_NODELAY：

csharp

// 禁用 Nagle 算法，减少延迟
socket.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Tcp, SocketOptionName.NoDelay, true);

Keep-Alive：

csharp

// 保持连接活跃，检测连接是否断开
socket.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Socket, SocketOptionName.KeepAlive, true);

2. 缓冲区优化

接收缓冲区：

csharp

socket.ReceiveBufferSize = 65535;

发送缓冲区：

csharp

socket.SendBufferSize = 65535;

3. 超时设置

csharp

socket.ReceiveTimeout = 5000;  // 5 秒
socket.SendTimeout = 5000;     // 5 秒

六、常见面试题

Q1: 为什么 TCP 是可靠的？

机制：

确认应答 - 接收方确认收到数据
超时重传 - 未收到确认则重传
序列号 - 保证数据有序
校验和 - 检测数据错误
流量控制 - 防止接收方缓冲区溢出
拥塞控制 - 防止网络拥塞

Q2: TCP 三次握手的详细过程？

第一次握手：客户端发送 SYN（seq=x），进入 SYN_SENT
第二次握手：服务端发送 SYN+ACK（seq=y, ack=x+1），进入 SYN_RCVD
第三次握手：客户端发送 ACK（ack=y+1），双方进入 ESTABLISHED

为什么需要三次？

确认双方的发送和接收能力
同步初始序列号
防止旧的连接请求

Q3: TCP 四次挥手的详细过程？

第一次挥手：客户端发送 FIN，进入 FIN_WAIT_1
第二次挥手：服务端发送 ACK，进入 CLOSE_WAIT，客户端进入 FIN_WAIT_2
第三次挥手：服务端发送 FIN，进入 LAST_ACK
第四次挥手：客户端发送 ACK，进入 TIME_WAIT，服务端进入 CLOSED

为什么需要四次？

全双工通信，需要分别关闭
服务端可能还有数据要发送

Q4: TIME_WAIT 的作用？

确保 ACK 到达 - 如果 ACK 丢失，服务端会重发 FIN
防止旧连接影响 - 等待旧连接的包在网络中消失
等待时间 - 通常是 2MSL

Q5: TCP 的拥塞控制算法？

四个阶段：

慢启动 - 指数增长（cwnd = 1, 2, 4, 8, ...）
拥塞避免 - 线性增长（cwnd = cwnd + 1/cwnd）
快速重传 - 收到 3 个重复 ACK 后立即重传
快速恢复 - 快速重传后进入恢复阶段

Q6: UDP 如何实现可靠传输？

应用层实现：

添加序列号
添加确认机制
添加重传机制
添加超时机制

示例：

csharp

// 应用层协议
public class ReliableUdpPacket
{
    public int SequenceNumber { get; set; }
    public byte[] Data { get; set; }
    public DateTime Timestamp { get; set; }
}

// 发送方维护未确认的包
var unackedPackets = new Dictionary<int, ReliableUdpPacket>();

// 接收方发送确认
var ack = new AckPacket { SequenceNumber = receivedPacket.SequenceNumber };
SendAck(ack);

Q7: TCP 和 UDP 的头部大小？

TCP 头部 - 20 字节（最小），最大 60 字节（有选项）
UDP 头部 - 8 字节（固定）

Q8: 如何选择 TCP 还是 UDP？

选择 TCP：

需要可靠传输（文件传输、网页浏览）
可以接受延迟
需要有序传输

选择 UDP：

需要低延迟（游戏、视频通话）
可以接受少量丢包
实时性要求高

七、实际应用

1. TCP 应用

HTTP/HTTPS - 网页浏览
FTP - 文件传输
SMTP - 邮件发送
SSH - 远程登录
数据库连接 - MySQL、PostgreSQL

2. UDP 应用

DNS - 域名解析
DHCP - 动态 IP 分配
视频流 - 直播、点播
在线游戏 - 实时游戏
VoIP - 语音通话

3. 混合使用

QUIC（HTTP/3）：

基于 UDP
在应用层实现可靠性
更快连接建立
改进的拥塞控制

八、最佳实践

✅ 合理选择协议 - 根据需求选择 TCP 或 UDP
✅ 优化 TCP 参数 - 调整缓冲区、超时等
✅ 使用连接池 - 复用 TCP 连接
✅ 监控网络 - 关注延迟、丢包率
✅ 错误处理 - 正确处理网络错误
✅ 超时设置 - 避免无限等待
✅ 重试机制 - 网络故障时重试
❌ 不要忽略错误 - 正确处理异常
❌ 不要过度优化 - 根据实际需求优化
❌ 不要忽略安全 - 使用 TLS/SSL 加密

TCP 和 UDP ​

一、TCP（传输控制协议） ​

1. TCP 的特点 ​

2. TCP 三次握手 ​

3. TCP 四次挥手 ​

4. TCP 可靠传输机制 ​

5. TCP 头部结构 ​

二、UDP（用户数据报协议） ​

1. UDP 的特点 ​

2. UDP 头部结构 ​

3. UDP 的应用场景 ​

三、TCP vs UDP ​

1. 对比表 ​

2. 选择原则 ​

3. 性能对比 ​

四、TCP 状态转换 ​

1. TCP 状态 ​

2. 状态转换图 ​

五、TCP 优化 ​

1. 连接优化 ​

2. 缓冲区优化 ​

3. 超时设置 ​

六、常见面试题 ​

Q1: 为什么 TCP 是可靠的？ ​

Q2: TCP 三次握手的详细过程？ ​

Q3: TCP 四次挥手的详细过程？ ​

Q4: TIME_WAIT 的作用？ ​

Q5: TCP 的拥塞控制算法？ ​

Q6: UDP 如何实现可靠传输？ ​

Q7: TCP 和 UDP 的头部大小？ ​

Q8: 如何选择 TCP 还是 UDP？ ​

七、实际应用 ​

1. TCP 应用 ​

2. UDP 应用 ​

3. 混合使用 ​

八、最佳实践 ​

TCP 和 UDP

一、TCP（传输控制协议）

1. TCP 的特点

2. TCP 三次握手

3. TCP 四次挥手

4. TCP 可靠传输机制

5. TCP 头部结构

二、UDP（用户数据报协议）

1. UDP 的特点

2. UDP 头部结构

3. UDP 的应用场景

三、TCP vs UDP

1. 对比表

2. 选择原则

3. 性能对比

四、TCP 状态转换

1. TCP 状态

2. 状态转换图

五、TCP 优化

1. 连接优化

2. 缓冲区优化

3. 超时设置

六、常见面试题

Q1: 为什么 TCP 是可靠的？

Q2: TCP 三次握手的详细过程？

Q3: TCP 四次挥手的详细过程？

Q4: TIME_WAIT 的作用？

Q5: TCP 的拥塞控制算法？

Q6: UDP 如何实现可靠传输？

Q7: TCP 和 UDP 的头部大小？

Q8: 如何选择 TCP 还是 UDP？

七、实际应用

1. TCP 应用

2. UDP 应用

3. 混合使用

八、最佳实践