傳輸層協定#

傳輸層負責端到端的資料傳輸，最重要的兩個協定是 TCP 和 UDP。它們代表了兩種截然不同的設計哲學。

TCP vs UDP 核心對比#

TCP 秉承「性惡論」，認為網路環境惡劣，必須通過複雜機制保證可靠；UDP 秉承「性善論」，相信網路基本能送達，把複雜性留給應用層。

UDP 協定#

UDP 包頭結構#

UDP 頭部只有 8 個字節，極其簡單：

• 源埠號、目標埠號：標識發送和接收的應用程式
• 長度：UDP 資料報的總長度
• 校驗和：資料完整性檢查

UDP 三大特點#

1. 簡單輕量：沒有連接狀態維護，資源消耗小
2. 不挑對象：可以一對一、一對多、多對多通信
3. 不管擁塞：網路再差也不降速，一往無前

UDP 適用場景#

TCP 協定#

TCP 要解決五個核心問題：

TCP 包頭結構#

TCP 頭部至少 20 字節，比 UDP 複雜得多：

• 源埠號、目標埠號：各 16 位
• 序列號 (Sequence Number)：解決亂序問題
• 確認號 (Acknowledgment Number)：解決丢包問題
• 標誌位：SYN、ACK、FIN、RST 等，控制連接狀態
• 窗口大小：流量控制

三次握手（建立連接）#

sequenceDiagram
    participant C as 客戶端
    participant S as 服務端

    C->>S: SYN, seq=x<br/>(你好，我是 A)
    S->>C: SYN+ACK, seq=y, ack=x+1<br/>(你好 A，我是 B，收到了)
    C->>S: ACK, ack=y+1<br/>(好的 B)

    Note over C,S: 連接建立完成

為什麼是三次，不是兩次？

兩次握手無法確認雙方的收發能力都正常。三次握手確保：客戶端確認我能發、我能收；伺服器端確認我能發、我能收。如果只有兩次，伺服器端無法確認自己發出的包客戶端能收到。

為什麼不是四次？

理論上可以四次甚至更多次，但三次已經足夠建立可靠連接。更多次握手只是增加延遲，不能提高可靠性。

序列號為什麼隨機？

每個連接的初始序列號都不同（基於時間的 32 位計數器），防止舊連接的殘留包被新連接誤收。

四次揮手（斷開連接）#

sequenceDiagram
    participant C as 客戶端
    participant S as 伺服器端

    C->>S: FIN (我不玩了)
    S->>C: ACK (好的，知道了)

    Note over S: B 可能還有資料要發送

    S->>C: FIN (我也不玩了)
    C->>S: ACK (好的，拜拜)

    Note over C: 等待 2MSL

為什麼是四次，不是三次？

TCP 是全雙工的，每個方向的連接需要單獨關閉。A 說不發了，但 B 可能還有資料要發，所以 B 的 ACK 和 FIN 是分開的。

為什麼要等待 2MSL？

• MSL (Maximum Segment Lifetime)：報文最大生存時間，通常 30 秒到 2 分鐘
• 等待 2MSL 確保：
  1. 最後的 ACK 能到達對方（如果丢了，對方會重發 FIN）
  2. 本連接的所有舊包都已消亡，不會影響新連接

TCP 狀態機#

查看連接狀態：netstat -antp | grep ESTABLISHED 或 ss -antp；查看 TIME_WAIT 數量：netstat -an | grep TIME_WAIT | wc -l

常見狀態：

流量控制與擁塞控制#

流量控制（接收方視角）

通過滑動窗口機制，接收方告訴發送方自己的處理能力，防止被撐死。

擁塞控制（網路視角）

flowchart LR
    subgraph CC["擁塞控制階段"]
        A["慢啟動<br/>(指數增長)"] --> B["達到閾值"]
        B --> C["擁塞避免<br/>(線性增長)"]
    end

    style A fill:#c8e6c9
    style C fill:#fff3e0

• 慢啟動：從小窗口開始，指數級增長
• 擁塞避免：達到閾值後，線性增長
• 快速重傳：收到 3 個重複 ACK，立即重傳
• 快速恢復：不從頭開始慢啟動

Socket 編程#

Socket 是應用程式與 TCP/UDP 協定交互的介面。

基本流程#

TCP Server:

socket() → bind() → listen() → accept() → recv()/send() → close()

TCP Client:

socket() → connect() → send()/recv() → close()

UDP:

socket() → bind() → recvfrom()/sendto() → close()

import socket

server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server.bind(('0.0.0.0', 8080))
server.listen(5)

while True:
    client, addr = server.accept()
    data = client.recv(1024)
    client.send(b'Hello from server')
    client.close()

import socket

client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client.connect(('127.0.0.1', 8080))
client.send(b'Hello from client')
data = client.recv(1024)
client.close()

本章小結#

• UDP：簡單、快速、無連接，適合實時性要求高、可容忍丢包的場景
• TCP：可靠、有序、面向連接，通過複雜機制保證資料完整送達
• 三次握手：建立連接，確認雙方收發能力
• 四次揮手：斷開連接，確保資料傳輸完畢
• 流量控制：防止接收方被撐死
• 擁塞控制：防止網路被塞死