Linux 网络传输层详解：UDP 与 TCP 协议原理

当应用层向 UDP 交付数据后，内核会创建 sk_buff 结构体并分配缓冲区，将数据和报头依次保存后加入链表，再向下交付给链路层。

核心特点

• 无连接：无需建立连接即可直接传输。
• 不可靠：无确认与重传机制，网络故障时不会反馈错误。
• 面向数据报：保留报文边界，发送多少就接收多少，不拆分也不合并。

例如，发送端调用一次 sendto 发送 100 字节，接收端必须调用一次 recvfrom 接收 100 字节，不能分次读取。

缓冲区与注意事项

UDP 没有显式的发送缓冲区，数据直接交给内核处理；但拥有接收缓冲区。需要注意的是，UDP 最大传输长度受限于首部中的 16 位长度字段，即 64KB。超过此长度需在应用层手动分包与拼装。

典型应用

• NFS（网络文件系统）
• TFTP（简单文件传输）
• DHCP（动态主机配置）
• DNS（域名解析）

TCP 协议

协议段格式

TCP 报头比 UDP 复杂，主要字段包括：

• 16 位源/目的端口号
• 32 位序号：数据段首字节序列号，用于排序去重
• 32 位确认序号：期望收到的下一个字节序号
• 4 位首部长度：单位 4 字节，最大 60 字节
• 6 位标志位：控制行为（URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN）
• 16 位窗口大小：流量控制依据
• 16 位校验和：头部与数据校验
• 16 位紧急指针：仅在 URG 有效时指示紧急数据偏移

TCP 同样通过目的端口号向上交付数据。报头中 4 位首部长度字段帮助定位报头结束位置，从而分离有效载荷。

关键标记位

• URG（紧急）：允许插队处理紧急任务，如终止上传。
• PSH（推送）：提示接收方尽快将缓冲区数据交付给上层应用。
• RST（复位）：强制关闭异常连接，例如握手失败后的重置。

流量控制

TCP 拥有显式的发送和接收缓冲区。当接收方来不及读取数据时，接收缓冲区会填满。此时接收方通过窗口大小字段告知发送方减少或停止发送，避免丢包。这一过程由操作系统自动管理，用户无需干预。

确认应答与捎带应答

TCP 通过确认应答机制保证可靠性。发送方发出数据后等待确认，若超时则重传。为了效率，确认信息常与待发送数据合并，称为捎带应答。例如服务器收到请求后，既回复 ACK 又携带自己的数据，减少往返次数。

超时重传

若特定时间内未收到确认，发送方会重传数据。超时时间动态计算，Linux 中以 500ms 为单位指数递增。若多次重传仍无响应，TCP 认为网络异常并强制关闭连接。

连接管理：三次握手与四次挥手

三次握手

1. 客户端发送 SYN，进入 SYN_SENT。
2. 服务器回复 SYN+ACK，进入 SYN_RCVD。
3. 客户端回复 ACK，进入 ESTABLISHED。

三次握手旨在验证双方收发能力，防止旧连接重复初始化造成混乱，并确保初始序号同步。

四次挥手

1. 客户端发送 FIN，进入 FIN_WAIT_1。
2. 服务器回复 ACK，进入 CLOSE_WAIT。
3. 服务器发送 FIN，进入 LAST_ACK。
4. 客户端回复 ACK，进入 TIME_WAIT，等待 2MSL 后关闭。

被动关闭方出现大量 CLOSE_WAIT 通常意味着代码未正确调用 close()。TIME_WAIT 状态确保最后一个 ACK 可靠到达，并清除网络中残留的历史报文。

滑动窗口

滑动窗口位于发送缓冲区，用于并发发送多个数据而无需逐个等待 ACK，提升效率。窗口大小由接收方可用缓冲区与拥塞窗口共同决定，取较小值。窗口随确认情况动态调整，甚至可为零。

若最左侧报文丢失，后续报文虽被接收但确认序号不变，触发快重传机制。若响应报文丢失，则依赖超时重传。

拥塞控制

TCP 引入慢启动与拥塞避免机制适应网络状态：

• 慢启动：初始拥塞窗口为 1，每收到 ACK 指数增长。
• 拥塞避免：超过阈值后线性增长。
• 快重传/快恢复：收到 3 个重复 ACK 时立即重传，不进入慢启动。

面向字节流

TCP 是面向字节流的，不保留应用层报文边界。发送端可一次写 100 字节或 100 次写 1 字节，接收端读取时无需对应。缓冲区的存在使得读写操作解耦，但也带来了粘包问题。

粘包处理

TCP 协议头无长度字段，应用层需自行定义边界：

• 定长包：按固定大小读取。
• 变长包：包头约定总长度或使用分隔符。

UDP 因保留报文边界，通常不存在粘包问题。

异常情况

• 进程终止：释放描述符，正常发送 FIN。
• 机器重启：类似进程终止。
• 掉电：无法发送 FIN，对方超时重传后关闭连接。

队列机制

• 半连接队列：存放 SYN_RCVD 状态的请求。
• 全连接队列：存放已建立但未 accept 的连接。

全连接队列容量取决于 listen 函数的 backlog 参数。

内核结构关系

Socket 通过文件描述符与 file 结构体关联，进而指向 sock 结构体。Linux 内核利用结构体嵌套实现多态，tcp_sock 和 udp_sock 均继承自 sock，统一了接口管理。

UDP 与 TCP 对比

若需基于 UDP 实现可靠传输，可在应用层模拟 TCP 机制，如引入序号、确认应答、超时重传及滑动窗口等逻辑。