5-8 TCP和UDP协议
5-8-1 TCP和UDP报文格式
TCP和UDP概述
传输层主要两个传输协议，分别是TCP和UDP。
- TCP是面向连接的，一般用于传输数据量比较少，且对可靠性要求高的应用。【文件】
- UDP是一种不可靠的、无连接的协议。用于传输数据量大，可靠性要求不高，但要求速度快的场
景。【音视频】
| 特性/协议 | TCP（传输控制协议） | UDP（用户数据报协议） |
|---|---|---|
| 连接方式 | 面向连接（需三次握手建立连接） | 面向无连接（直接发送数据包） |
| 传输可靠性 | 可靠传输（丢包重传、顺序保证） | 不可靠传输（不保证送达或顺序） |
| 流量控制 | 支持流控及窗口机制 | 无流控机制 |
| 传输效率 | 较低（需维护连接和确认机制） | 较高（低延迟、无额外开销） |
| 典型应用场景 | ✔️ Web浏览（HTTP/HTTPS） ✔️ 电子邮件（SMTP/POP3） ✔️ 文件传输（FTP） | ✔️ 域名系统（DNS） ✔️ 实时视频流/语音（VoIP） ✔️ 在线游戏/直播 |
例题
例题1
解析：
- 节点到节点：数据链路层提供一段物理链路上的可靠数据传输
- 端到端：传输层的TCP协议提供端到端(即起点到终点)的可靠数据传输
例题2
TCP报文格式
源端口与目的端口（各16位） ：源端口标识发送端应用程序的端口号，目的端口标识接收端应用程序的端口号。两者共同确定通信的端点，类似于网络通信的“发件地址”和“收件地址”。取值范围为216=65536即[0,65535]，最大端口为65535
序列号与确认号（各32位）
- 序列号（Sequence Number）：标识当前报文段第一个字节在数据流中的位置。例如，若初始序列号为1000，数据长度为100字节，下一报文段序列号为1100。
- 确认号（Acknowledgment Number）：仅在ACK标志置1时有效，表示接收方期望接收的下一个字节的序列号（即已正确接收的数据末尾+1）。
数据偏移（4位） ：(即类似IP报文中的头部长字段)表示TCP头部长度，以4字节为单位。最小值为5（对应20字节固定头部），最大值为15（对应60字节头部，含选项字段）(跟IP报头相同)。
保留字段（6位）：保留位固定为0，未来可能扩展新功能。
标志位（6位） [红色表示用于TCP三次握手和四次挥手]
| 标志位 | 含义 | 作用描述 | 使用场景 |
|---|---|---|---|
| URG | 紧急 | 紧急数据标识，与紧急指针配合使用 | 当URG=1时，表明紧急指针字段有效，告诉系统此报文段中有紧急数据，不需要按排队顺序来传送，应尽快传送，一般是带外网管数据 |
| ACK | 确认 | 确认号有效标识，建立连接后所有报文必须置1 | 三次握手过程中，确认帧ACK=1。 TCP通信过程中，确认帧ACK=1。 TCP中只有第1个数据包即请求建立连接时发送的ACK=0，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置为1 |
| PSH | 推送 | 要求接收方立即将数据提交应用层而非缓存 | 当两个应用进程进行相互交互的通信时，一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能够收到对方的响应，此时TCP可使用推送PUSH操作 |
| RST | 复位 | 强制重置连接 | 表示TCP连接中出现较为严重的差错，必须释放连接，然后再重新建立连接 |
| SYN | 同步 | 同步序列号，用于建立连接 | TCP三次握手建立时用来同步序号 |
| FIN | 终止 | 发送方数据发送完毕，请求释放连接 | 用于TCP四次挥手释放连接。当FIN=1时，表明此报文段的发送方的数据已发送完毕并要求释放连接 |
窗口大小（16位） ：接收方缓冲区剩余容量，用于流量控制。发送方需根据此值调整发送速率，防止缓冲区溢出。
校验和（16位）：计算范围包括TCP头部和数据部分，确保传输完整性。接收方验证校验和，错误则丢弃报文。
紧急指针（16位）：仅在URG=1时有效，指向紧急数据的位置，用于优先处理紧急数据。
例题
例题1
例题2
解析：URG=1，告诉系统有紧急数据传送，，URG指针说明紧急数据的位置。
例题3
解析：
- MSS指的是报文的有效负载长度，看到1460字节，应该反映到这是分装在以太网中的，以太网规定最大帧长MTU为1500字节，IP基本头部20字节，TCP基本头部20字节，减去之后剩1460字节
- TCP协议的序号字段为32位，序号范围为0到232－1，L的最大值是232=4294967296=4x1024x1024x1024=4GB。
UDP报文格式
与TCP相比，做了很大精简，省略诸多控制字段。
UDP首部包含四个16位的固定字段：
- 源端口（Source Port） ：标识发送端的应用程序端口号（0-65535），若无需接收方回复（如单向通信），可置为0。
- 目的端口（Destination Port） ：标识接收端的应用程序端口号，确保数据正确交付到目标进程。
- 长度（Length）：表示整个UDP报文的总长度（首部+数据），单位为字节，最小值为8（仅有首部）。由于16位限制，最大长度为65535字节，但实际受限于网络MTU（通常数据部分不超过1472字节以避免IP分片）。
- 校验和（Checksum）：用于检测传输过程中的数据错误。计算时需包含伪首部（临时添加的12字节结构，含源/目的IP、协议类型和UDP长度），若校验失败则丢弃报文，但无重传机制。
例题
例题1
解析：
- IP报头：20-60字节（默认20字节）
- TCP报头：20-60字节（默认20字节）
- UDP报头：8字节。
例题2
解析：
UDP报文格式如下，长度为UDP报文总长度（16位），可表示[0,65535]字节，减去8字节头部，UDP最大负载是65527字节。
TCP报文格式中没有长度字段。