第5章 - TCP 与 UDP 协议

嗨，朋友！

前面几章我们学习了网络层的 IP 地址，现在我们来学习传输层的两大核心协议：TCP 和 UDP。

很多人觉得这两个协议很抽象，但其实它们就像生活中的两种通信方式。我用一个简单的类比，保证让你一听就懂！

🤔 TCP vs UDP：打电话 vs 发短信

TCP（传输控制协议）📞

类比：打电话

你: "喂，听得到吗？"
朋友: "听得到！"
你: "我要说三件事"
朋友: "好的，你说"
你: "第一件事是..."
朋友: "收到第一件事"
你: "第二件事是..."
朋友: "收到第二件事"
你: "好了，我说完了"
朋友: "好的，我也说完了"

特点：

  • ✅ 建立连接（先打通电话）
  • ✅ 可靠传输（确认对方收到）
  • ✅ 按顺序传输（第一句话先到，第二句话后到）
  • ❌ 速度较慢（需要确认）
  • ❌ 开销较大（需要维持连接）

UDP（用户数据报协议）📨

类比：发短信

你: "今天晚上吃火锅！"（发送）
你: "记得带钱！"（发送）
你: "7点楼下见！"（发送）

→ 不管对方收没收到，你就发出去了
→ 可能顺序乱了（第三条先到，第一条后到）
→ 可能丢失（某条短信没收到）

特点：

  • ✅ 无需建立连接（直接发）
  • ✅ 速度快（不需要确认）
  • ✅ 开销小（不维持连接）
  • ❌ 不可靠（可能丢包）
  • ❌ 无序传输（顺序可能乱）

📊 TCP vs UDP 对比表

特性TCPUDP
连接方式面向连接无连接
可靠性可靠传输不可靠传输
传输顺序保证顺序不保证顺序
传输速度较慢较快
资源开销较大较小
应用场景文件传输、网页浏览、邮件视频直播、语音通话、游戏
常见协议HTTP、HTTPS、FTP、SMTPDNS、DHCP、视频流

🔌 端口号

什么是端口号？

类比：IP 地址是"小区地址"，端口号是"房间号"

你家地址: 北京市朝阳区XX小区XX号楼
         ↑
      IP 地址 (例如: 192.168.1.100)

你家房间号: 1001室、1002室、1003室
           ↑
        端口号 (例如: 80, 443, 3000)

一台电脑上可以运行多个网络程序：

你的电脑 (IP: 192.168.1.100)
├── 浏览器 → 使用随机端口 (如 54321)
├── 微信 → 使用特定端口
├── 本地服务器 → 使用端口 3000
└── 数据库 → 使用端口 3306

端口号范围

端口范围名称说明示例
0-1023知名端口系统保留，常用服务80(HTTP)、443(HTTPS)、22(SSH)
1024-49151注册端口注册的应用程序3306(MySQL)、5432(PostgreSQL)
49152-65535动态端口临时使用客户端随机分配

常用端口号

端口协议服务说明
20/21TCPFTP文件传输
22TCPSSH安全远程登录
23TCPTelnet远程登录
25TCPSMTP发送邮件
53UDPDNS域名解析
80TCPHTTP网页浏览
443TCPHTTPS加密网页浏览
3306TCPMySQL数据库
3000TCPNode.js常用开发端口
8080TCPHTTP备用HTTP端口

🔍 TCP 详解

TCP 的核心特性

1. 面向连接（Connection-Oriented）🤝

三次握手建立连接：

客户端                     服务器
   │                         │
   │──① SYN（我想连接你）──→│
   │                         │
   │←─② SYN+ACK（好的）─────│
   │                         │
   │──③ ACK（收到，开始吧）→│
   │                         │
   │  开始传输数据            │

四次挥手断开连接：

客户端                     服务器
   │                         │
   │──① FIN（我要关闭了）──→│
   │                         │
   │←─② ACK（我知道了）─────│
   │                         │
   │←─③ FIN（我也关闭了）───│
   │                         │
   │──④ ACK（再见）────────→│
   │                         │
   连接关闭

2. 可靠传输（Reliable Transmission）✅

确认应答机制：

发送方: 发送数据包1
接收方: 收到数据包1，发送ACK1
发送方: 收到ACK1，发送数据包2
接收方: 收到数据包2，发送ACK2
...

超时重传：

发送方: 发送数据包1
接收方: （数据包丢失，没收到）
发送方: 等待超时 → 重新发送数据包1
接收方: 收到数据包1，发送ACK1

3. 流量控制（Flow Control）🚦

防止发送方发送太快，接收方处理不过来：

接收方: "我的缓冲区还有 1024 字节"
发送方: "好的，我只发 1024 字节"
接收方: "我处理了一些，现在还有 2048 字节"
发送方: "好的，我现在可以发 2048 字节"

4. 拥塞控制（Congestion Control）🚥

防止网络拥堵：

刚开始: 慢慢发（慢启动）
网络好: 加快发送速度
发现丢包: 减慢速度（拥塞避免）

TCP 报文结构

┌────────────────────────────────────┐
│  源端口 (16位)  │  目标端口 (16位) │
├────────────────────────────────────┤
│          序号 (32位)                │
├────────────────────────────────────┤
│        确认序号 (32位)              │
├────────────────────────────────────┤
│  标志位  │  窗口大小                │
├────────────────────────────────────┤
│  校验和  │  紧急指针                │
├────────────────────────────────────┤
│          数据                       │
└────────────────────────────────────┘

📡 UDP 详解

UDP 的核心特性

1. 无连接（Connectionless）🚀

不需要握手，直接发送：

客户端                     服务器
   │                         │
   │──数据包1────────────────→│
   │──数据包2────────────────→│
   │──数据包3────────────────→│
   │                         │

2. 不可靠传输（Unreliable）⚠️

发送方不管数据包是否到达：

发送方: 发送数据包1 → 可能到达 ✅
发送方: 发送数据包2 → 可能丢失 ❌
发送方: 发送数据包3 → 可能到达 ✅

→ 发送方不知道哪些到达了，哪些丢失了

3. 轻量级（Lightweight）⚡

UDP 头部只有 8 字节，TCP 头部至少 20 字节

UDP 头部: 8 字节
TCP 头部: 20-60 字节

→ UDP 开销更小，速度更快

UDP 报文结构

┌────────────────────────────────────┐
│  源端口 (16位)  │  目标端口 (16位) │
├────────────────────────────────────┤
│  长度 (16位)    │  校验和 (16位)   │
├────────────────────────────────────┤
│          数据                       │
└────────────────────────────────────┘

简洁得多！

🎯 应用场景选择

使用 TCP 的场景 ✅

  1. 网页浏览（HTTP/HTTPS）

    • 需要完整加载网页内容
    • 不能丢失任何数据

  2. 文件传输（FTP）

    • 文件必须完整
    • 不能有任何损坏

  3. 邮件发送（SMTP）

    • 邮件内容必须准确
    • 不能丢失信息

  4. 数据库连接（MySQL）

    • 数据必须准确无误
    • 不能有丢失或错乱
// Node.js 使用 TCP 示例
const net = require('net');

// 创建 TCP 服务器
const server = net.createServer((socket) => {
  console.log('客户端已连接');
  
  socket.on('data', (data) => {
    console.log('收到数据:', data.toString());
    socket.write('服务器已收到');
  });
});

server.listen(3000, () => {
  console.log('TCP 服务器运行在 3000 端口');
});

使用 UDP 的场景 ✅

  1. 视频直播/语音通话

    • 丢失几个数据包影响不大
    • 速度比完整性更重要

  2. 在线游戏

    • 需要低延迟
    • 偶尔丢包可以接受（下一帧会更新）

  3. DNS 查询

    • 数据量小
    • 查询简单快速

  4. IoT 设备

    • 设备资源有限
    • 数据简单
// Node.js 使用 UDP 示例
const dgram = require('dgram');

// 创建 UDP 服务器
const server = dgram.createSocket('udp4');

server.on('message', (msg, rinfo) => {
  console.log(`收到来自 ${rinfo.address}:${rinfo.port} 的消息: ${msg}`);
});

server.bind(3000, () => {
  console.log('UDP 服务器运行在 3000 端口');
});

💻 实际应用案例

前端开发

HTTP 请求（使用 TCP）

// Fetch API（底层使用 TCP）
fetch('https://api.example.com/users')
  .then(response => response.json())
  .then(data => {
    console.log('数据完整接收:', data);
  });

// 特点：
// - 使用 TCP 协议
// - 数据完整、可靠
// - 适合获取关键数据

WebSocket（使用 TCP）

// 实时聊天（底层使用 TCP）
const socket = new WebSocket('ws://localhost:3000');

socket.onopen = () => {
  console.log('连接已建立');
  socket.send('Hello Server');
};

socket.onmessage = (event) => {
  console.log('收到消息:', event.data);
};

// 特点：
// - 使用 TCP 协议
// - 保持长连接
// - 消息可靠传输

WebRTC（可使用 UDP）

// 视频通话（可以使用 UDP）
const peerConnection = new RTCPeerConnection();

// WebRTC 可以选择 UDP 来降低延迟
// 适合实时音视频通话

后端开发

Express 服务器（TCP）

const express = require('express');
const app = express();

// HTTP 服务器使用 TCP
app.get('/users', (req, res) => {
  res.json({ users: ['张三', '李四'] });
});

app.listen(3000, () => {
  console.log('服务器运行在 3000 端口（TCP）');
});

UDP 服务器

const dgram = require('dgram');
const server = dgram.createSocket('udp4');

server.on('message', (msg, rinfo) => {
  console.log(`UDP 消息: ${msg} 来自 ${rinfo.address}:${rinfo.port}`);
  
  // 发送响应
  server.send('收到', rinfo.port, rinfo.address);
});

server.bind(4000);

运维配置

# 查看 TCP 连接
netstat -an | grep tcp

# 查看指定端口的 TCP 连接
netstat -an | grep :3000

# 查看 UDP 连接
netstat -an | grep udp

# Linux 防火墙配置
# 开放 TCP 端口 80
sudo iptables -A INPUT -p tcp --dport 80 -j ACCEPT

# 开放 UDP 端口 53（DNS）
sudo iptables -A INPUT -p udp --dport 53 -j ACCEPT

测试工程师

# 使用 telnet 测试 TCP 连接
telnet example.com 80

# 使用 nc（netcat）测试 TCP
nc -v example.com 80

# 使用 nc 测试 UDP
nc -u -v example.com 53

# 使用 curl 测试 HTTP（TCP）
curl -v http://example.com

🔬 实验：观察 TCP 和 UDP

实验1：查看 TCP 连接

# Windows
netstat -an | findstr ESTABLISHED

# Linux/Mac
netstat -an | grep ESTABLISHED

# 你会看到类似这样的输出：
# TCP    192.168.1.100:54321    93.184.216.34:443    ESTABLISHED
#        ↑                      ↑                    ↑
#     你的IP和端口          服务器IP和端口        已建立连接

实验2：抓包分析

使用 Wireshark 抓包工具：

  1. 打开 Wireshark
  2. 选择网卡，开始抓包
  3. 访问网站（例如 www.baidu.com）
  4. 过滤 TCP 包：tcp
  5. 观察三次握手过程

你会看到：

1. SYN（客户端 → 服务器）
2. SYN+ACK（服务器 → 客户端）
3. ACK（客户端 → 服务器）

💡 长安的学习建议

  1. 记住核心区别 - TCP 可靠慢，UDP 快但不可靠
  2. 理解应用场景 - 根据需求选择协议
  3. 动手实验 - 用 netstat 查看自己电脑的连接
  4. 联系实际 - 想想你用的应用都用了什么协议

📝 小结

这一章我们学习了：

✅ TCP：面向连接、可靠传输、有序传输、适合文件和网页
✅ UDP：无连接、不可靠、快速、适合视频和游戏
✅ 端口号：区分同一台电脑上的不同程序
✅ TCP 三次握手：建立连接的过程
✅ 应用场景：根据需求选择合适的协议
✅ 实际应用：前端、后端、运维、测试都在用

🎯 下一步

现在你已经理解了传输层的 TCP 和 UDP，接下来我们要学习应用层最重要的协议：HTTP 和 HTTPS！

继续学习第6章：HTTP 与 HTTPS →

💪 练习题

  1. 什么时候应该使用 TCP？什么时候应该使用 UDP？
  2. 查看你的电脑上有哪些 TCP 连接（使用 netstat 命令）
  3. 为什么视频直播用 UDP 而不是 TCP？
答案提示

  1. TCP vs UDP 使用场景：

    • 使用 TCP：需要数据完整、可靠时
      • 网页浏览、文件下载、邮件发送、数据库连接
    • 使用 UDP：需要速度快、可以容忍少量丢包时
      • 视频直播、语音通话、在线游戏、DNS 查询

  2. 查看 TCP 连接：

    # Windows
netstat -an | findstr TCP

# Linux/Mac
netstat -an | grep tcp

    你会看到很多连接，包括浏览器、微信、各种应用的网络连接

  3. 为什么视频直播用 UDP？

    • 视频直播对实时性要求高，延迟要低
    • 丢失几帧画面影响不大，用户可能都注意不到
    • 如果用 TCP，重传丢失的数据包会增加延迟
    • UDP 直接发送，不等待确认，延迟更低
    • 总结：速度比完整性更重要
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Contributors: 王长安