TCP/IP 传输层详解

传输层（Transport Layer）是 TCP/IP 模型的第四层（对应 OSI 模型的传输层），核心功能是实现 端到端（进程到进程）的可靠通信。主要协议包括：

TCP（传输控制协议）：面向连接、可靠传输
UDP（用户数据报协议）：无连接、高效传输

核心功能

功能	TCP	UDP
连接管理	三次握手建立连接，四次挥手断开	无连接
可靠性	确认应答、重传、排序	无可靠性保证
流量控制	滑动窗口机制	无
拥塞控制	慢启动、拥塞避免等算法	无
数据单元	段（Segment）	数据报（Datagram）
头部开销	20~60 字节	8 字节

TCP 协议深度解析

1. TCP 段结构

 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        |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|                    Options (if any)           |    Padding    |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|                             Data                              |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

关键字段：
- 序列号（Seq）：数据字节流的编号
- 确认号（Ack）：期望接收的下一个字节编号
- 标志位：SYN（建立连接）、ACK（确认）、FIN（断开连接）、RST（重置连接）
- 窗口大小（Window）：流量控制参数

2. TCP 连接管理（三次握手与四次挥手）

为什么需要三次握手？
防止失效的连接请求突然传到服务器（网络延迟导致的历史连接问题）

3. TCP 可靠性机制

关键机制：
- 序列号/确认号：确保数据有序到达
- 超时重传：RTT动态计算超时时间
- 滑动窗口：动态调整发送速率（流量控制）
- 选择性确认（SACK）：高效重传丢失片段

4. TCP 拥塞控制

在这里插入图片描述

阶段说明：
1. 慢启动：窗口从1 MSS开始指数增长
2. 拥塞避免：窗口线性增长（加法增大）
3. 快速重传：收到3个重复ACK立即重传
4. 快速恢复：窗口减半后直接进入拥塞避免

UDP 协议解析

1. UDP 数据报结构

 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            |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+  
|                             Data                              |  
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

特点：
- 无连接：直接发送数据
- 无可靠性机制：不保证顺序和到达
- 低延迟：头部仅8字节
- 支持广播/多播

2. UDP 通信流程

端口（Port）机制

核心作用：区分同一主机上的不同应用程序
在这里插入图片描述

常见端口：
- HTTP: 80, HTTPS: 443
- FTP: 21, SSH: 22
- DNS: 53, DHCP: 67/68

TCP/UDP 应用场景对比

场景	推荐协议	原因
网页浏览	TCP	需要可靠传输HTML/CSS/JS
视频直播	UDP	容忍丢包，追求低延迟
文件传输	TCP	数据完整性要求高
DNS查询	UDP	短报文，快速响应
在线游戏	UDP	实时性优先于可靠性
电子邮件	TCP	保证邮件内容完整到达