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TCP 与 UDP 协议详解 ​

1. TCP 连接建立的三次握手过程 ​

TCP 通过三次握手建立可靠连接，具体流程如下（图示使用 Mermaid 描述）：

  1. 第一次握手：客户端发送 SYN 报文（SYN=1），包含初始序列号 seq=x，进入 SYN_SENT 状态
  2. 第二次握手：服务器返回 SYN-ACK 报文（SYN=1, ACK=1），包含自己的序列号 seq=y 和对客户端序列号的确认 ack=x+1，进入 SYN_RCVD 状态
  3. 第三次握手：客户端发送 ACK 报文（ACK=1），包含 seq=x+1 和 ack=y+1，双方进入 ESTABLISHED 状态

2. TCP 连接终止的四次挥手过程 ​

连接终止需要四次交互（图示包含可能出现的 TIME_WAIT 状态）：

  1. 第一次挥手：主动关闭方发送 FIN 报文（FIN=1，seq=u），进入 FIN_WAIT_1 状态
  2. 第二次挥手：被动关闭方返回 ACK（ACK=1，ack=u+1），进入 CLOSE_WAIT 状态，主动方进入 FIN_WAIT_2
  3. 第三次挥手：被动关闭方发送 FIN 报文（FIN=1，seq=v），进入 LAST_ACK 状态
  4. 第四次挥手：主动关闭方发送 ACK（ACK=1，ack=v+1），进入 TIME_WAIT 状态（持续 2MSL 时间）

3. TCP 与 UDP 协议对比 ​

通过表格对比关键特性差异：

特性TCPUDP
连接方式面向连接（Connection-Oriented）无连接（Connectionless）
可靠性通过确认重传机制保证不保证数据到达
数据顺序保证按序到达不保证顺序
流量控制滑动窗口机制无内置机制
拥塞控制慢启动、拥塞避免算法无流量控制
首部大小20-60 字节8 字节固定
传输速度较慢（需建立连接和确认）较快（直接发送数据报）
典型应用场景网页浏览（HTTP）、文件传输（FTP）视频流（RTP）、DNS 查询

4. 技术细节解析 ​

4.1 为什么需要三次握手？ ​

通过数学公式解释可避免历史连接问题：

最少需要 ⌈log2(3)⌉=2 次往返确认\text{最少需要 } \lceil log_2(3) \rceil = 2 \text{ 次往返确认}

实际上需要三次交互来确保双方收发能力正常，防止失效的 SYN 请求突然到达导致资源浪费。

4.2 TIME_WAIT 状态的意义 ​

保持 2MSL（Maximum Segment Lifetime）时间：

TIME_WAIT 持续时间=2×MSL\text{TIME\_WAIT 持续时间} = 2 \times \text{MSL}

典型值为 60 秒（MSL 通常设为 30 秒）。主要作用：

  1. 确保最后一个 ACK 能到达对端
  2. 允许旧数据报在网络中消失

5. 应用场景示例 ​

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TCP 典型应用：
- 电子邮件传输（SMTP）
- 数据库复制
- 远程终端（SSH）

UDP 典型应用：
- 实时多人游戏（如 FPS 游戏）
- VoIP 通话（如 Skype）
- IoT 传感器数据传输

6. 协议选择建议 ​

根据网络需求矩阵选择协议：

需求维度选择 TCP选择 UDP
数据完整性要求高✓✗
实时性要求高✗✓
网络环境稳定✓✓
需要节省带宽✗（有控制信息开销）✓（头部开销小）

以下表格总结了 TCP 和 UDP 的主要区别：

对比维度TCPUDP
连接方式面向连接（三次握手建立连接）无连接
可靠性可靠传输（确认机制、重传机制）不可靠传输（无确认、可能丢包）
传输效率较低（因控制机制增加开销）较高（无复杂控制）
流量控制支持（滑动窗口机制）不支持
拥塞控制支持（慢启动、拥塞避免等算法）不支持
数据顺序保证保证数据按序到达不保证顺序
头部大小较大（20-60 字节）较小（固定 8 字节）
典型应用场景网页浏览、文件传输、电子邮件视频流、在线游戏、DNS 查询

关键差异示意图 ​

公式补充说明 ​

  1. TCP 可靠性公式（丢包重传概率）：

    Psuccess=1−(1−p)nP_{success} = 1 - (1 - p)^n

    其中 p 为单次传输成功率，n 为最大重传次数。

  2. UDP 传输速率（理论上限）：

    Rmax=BandwidthPacket SizeR_{max} = \frac{Bandwidth}{Packet\ Size}

    由于无流量控制，UDP 可接近物理带宽极限。