《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第2章传输层：TCP、UDP和SCTP-EW帮帮网

《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第2章传输层：TCP、UDP和SCTP

2.1 传输层的核心作用与协议选型

传输层是网络协议栈中承上启下的核心层，直接决定应用的通信质量。其主要职责包括：

端到端通信：屏蔽底层网络细节，为应用提供逻辑通信通道；
可靠性保障（TCP/SCTP）：通过确认、重传、拥塞控制等机制确保数据完整；
多路复用与分用：通过端口号区分不同应用进程；
流量控制：防止发送方压垮接收方缓冲区。

协议选型黄金法则：

TCP：需要可靠传输、数据顺序性的场景（如文件传输、HTTP）；
UDP：低延迟、容忍丢包、强调实时性的场景（如视频会议、DNS查询）；
SCTP：多宿主容灾、多流并发、消息边界保留的场景（如5G核心网信令）。

2.2 TCP协议深度解析

2.2.1 TCP头部结构与字段详解

TCP头部由20字节固定部分和可变选项组成，其结构如下（图2-1）：

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          Source Port          |       Destination Port        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Sequence Number                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Acknowledgment Number                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
| Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
|       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Checksum            |         Urgent Pointer        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options (可变长度)                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

关键字段解析：

序列号（Sequence Number）：32位，标识数据段的第一个字节的编号；
确认号（Acknowledgment Number）：32位，期望收到的下一个字节的编号；
窗口大小（Window）：16位，接收方的可用缓冲区大小（流量控制核心）；
标志位：
- SYN：发起连接；
- ACK：确认数据；
- FIN：关闭连接；
- RST：强制重置连接；
- URG：紧急指针有效。

2.2.2 TCP连接管理：三次握手与四次挥手

三次握手建立连接（图2-2）：
```
客户端                            服务器
  |-------- SYN（seq=100） ------->|
  |<-- SYN+ACK（seq=300, ack=101）--|
  |-------- ACK（ack=301） -------->|
```
- 序列号随机化：防止历史报文干扰（RFC 6528）；
- 半连接队列：服务器在SYN_RCVD状态维护未完成握手队列。
四次挥手终止连接（图2-3）：
```
主动关闭方                        被动关闭方
  |-------- FIN（seq=200） ------->|
  |<-------- ACK（ack=201）--------|
  |<-------- FIN（seq=500）--------|
  |-------- ACK（ack=501） ------->|
```
- TIME_WAIT状态：主动关闭方等待2MSL（最大报文段生存时间），防止旧报文干扰新连接；
- 孤儿连接：被动关闭方在CLOSE_WAIT状态需及时关闭。

代码示例：TCP服务器监听连接

int listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(9999);

Bind(listenfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));
Listen(listenfd, LISTENQ); // LISTENQ通常设置为SOMAXCONN

2.2.3 流量控制与拥塞控制

流量控制：
- 滑动窗口协议：接收方通过窗口字段通告可用缓冲区大小；
- 零窗口探测：发送方定时发送1字节数据，避免死锁。
拥塞控制：
- 慢启动（Slow Start）：窗口指数增长至阈值；
- 拥塞避免（Congestion Avoidance）：窗口线性增长；
- 快速重传（Fast Retransmit）：收到3个重复ACK立即重传；
- 快速恢复（Fast Recovery）：避免窗口重置为1。

内核参数调优（Linux示例）：

# 调整接收缓冲区大小
sysctl -w net.ipv4.tcp_rmem='4096 87380 6291456'
# 启用BBR拥塞控制算法
sysctl -w net.ipv4.tcp_congestion_control=bbr

2.3 UDP协议特性与编程实践

2.3.1 UDP头部结构

UDP头部仅8字节（图2-4）：

 0      7 8     15 16    23 24    31  
+--------+--------+--------+--------+
|    源端口      |    目的端口       |
+--------+--------+--------+--------+
|      长度      |     校验和       |
+--------+--------+--------+--------+
|           数据（若有）            |
+-----------------------------------+

核心特点：

无连接：无需握手，直接发送数据报；
无可靠性保证：不重传、不排序、不拥塞控制；
数据报边界保留：每个sendto对应一个完整报文。

2.3.2 UDP编程核心挑战

报文丢失处理：需应用层实现超时重传与确认机制；
乱序处理：为每个报文添加序列号；
MTU限制：避免IP分片（通常限制为1472字节，1500-20-8）。

代码示例：UDP时间服务器

int sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(9999);

Bind(sockfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));

char buff[MAXLINE];
struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t len = sizeof(cliaddr);

for (;;) {
    int n = Recvfrom(sockfd, buff, MAXLINE, 0, (SA*)&cliaddr, &len);
    time_t ticks = time(NULL);
    snprintf(buff, sizeof(buff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));
    Sendto(sockfd, buff, strlen(buff), 0, (SA*)&cliaddr, len);
}

2.3.3 UDP的适用场景

实时音视频传输（如WebRTC）：容忍丢包，但要求低延迟；
DNS查询：单次请求响应，无连接开销；
广播/多播通信：向多个接收者高效发送数据。

2.4 SCTP协议：下一代传输协议

2.4.1 SCTP核心特性

多宿主（Multi-homing）：一个端点可绑定多个IP地址，提升容灾能力；
多流（Multi-streaming）：独立的数据流避免队头阻塞；
消息边界保留：基于消息而非字节流；
四次握手关联建立：抵御SYN洪泛攻击。

2.4.2 SCTP关联建立与关闭

四次握手建立关联（图2-5）：

客户端                            服务器
  |-------- INIT（随机数A） ------->|
  |<------- INIT-ACK（随机数B）-----|
  |------- COOKIE-ECHO（加密Cookie）>|
  |<------- COOKIE-ACK ------------|

状态Cookie：服务器不保存状态，防止DDoS攻击。

优雅关闭关联：

主动关闭方                        被动关闭方
  |-------- SHUTDOWN -------------->
  |<------- SHUTDOWN-ACK -----------|
  |<------- SHUTDOWN-COMPLETE ------|

代码示例：SCTP单流服务器

int listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_SEQPACKET, IPPROTO_SCTP);

struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(9999);

Bind(listenfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));

struct sctp_event_subscribe events;
bzero(&events, sizeof(events));
events.sctp_data_io_event = 1; // 启用数据IO事件
Setsockopt(listenfd, IPPROTO_SCTP, SCTP_EVENTS, &events, sizeof(events));

Listen(listenfd, LISTENQ);

2.5 协议对比与选型指南

特性	TCP	UDP	SCTP
连接方式	面向连接	无连接	面向关联
可靠性	可靠	不可靠	可靠
数据边界	无	有	有
传输模式	字节流	数据报	消息流
多路径支持	否	否	是（多宿主）
典型应用	HTTP、FTP、SSH	DNS、QUIC、实时音视频	5G信令、VoLTE

选型建议：

嵌入式设备：优先UDP（资源占用低），复杂场景用TCP；
高可用服务：SCTP多宿主特性提升容灾能力；
实时系统：UDP+应用层协议（如RTSP）。

2.6 实战：多协议时间服务器

2.6.1 TCP时间服务器

（代码参考第1章示例）

2.6.2 UDP时间服务器

#include "unp.h"
#include <time.h>

int main() {
    int sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    struct sockaddr_in servaddr;
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(9999);
    Bind(sockfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));

    char buff[MAXLINE];
    struct sockaddr_in cliaddr;
    socklen_t len;
    for (;;) {
        len = sizeof(cliaddr);
        Recvfrom(sockfd, buff, MAXLINE, 0, (SA*)&cliaddr, &len);
        time_t ticks = time(NULL);
        snprintf(buff, sizeof(buff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));
        Sendto(sockfd, buff, strlen(buff), 0, (SA*)&cliaddr, len);
    }
}

2.6.3 SCTP时间服务器

#include "unp.h"
#include <netinet/sctp.h>
#include <time.h>

int main() {
    int sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_SEQPACKET, IPPROTO_SCTP);
    struct sockaddr_in servaddr;
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(9999);
    Bind(sockfd, (SA*)&servaddr, sizeof(servaddr));

    struct sctp_event_subscribe events;
    bzero(&events, sizeof(events));
    events.sctp_data_io_event = 1;
    Setsockopt(sockfd, IPPROTO_SCTP, SCTP_EVENTS, &events, sizeof(events));

    Listen(sockfd, LISTENQ);

    struct sockaddr_in cliaddr;
    char buff[MAXLINE];
    for (;;) {
        socklen_t len = sizeof(cliaddr);
        int connfd = Accept(sockfd, (SA*)&cliaddr, &len);
        time_t ticks = time(NULL);
        snprintf(buff, sizeof(buff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));
        Write(connfd, buff, strlen(buff));
        Close(connfd);
    }
}

2.7 调试工具与性能分析

2.7.1 Wireshark抓包分析

TCP流追踪：右键报文 → Follow → TCP Stream；
UDP过滤：udp.port == 9999；
SCTP关联分析：sctp.association_id。

2.7.2 网络性能测试

TCP吞吐量测试：

# 服务器端
iperf3 -s
# 客户端
iperf3 -c 192.168.1.100 -t 30

UDP丢包率测试：

iperf3 -u -c 192.168.1.100 -b 100M -t 20

2.8 本章小结与进阶习题

小结：本章深入解析了TCP、UDP、SCTP的协议机制与编程实践，通过对比分析指导协议选型，为复杂网络应用开发奠定基础。

习题：

实现SCTP多流客户端，验证不同流的独立性；
使用UDP实现可靠文件传输协议（含ACK与超时重传）；
分析TCP BBR与CUBIC拥塞控制算法的差异，编写测试报告。

付费用户专属资源：

完整多协议时间服务器代码工程；
Wireshark抓包文件（标注关键字段）；
扩展阅读：《SCTP在5G核心网中的实践》。

通过本章学习，读者将掌握传输层协议的核心原理，并能够根据场景需求选择最佳协议，设计高效可靠的网络应用。

《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第2章传输层：TCP、UDP和SCTP

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2.1 传输层的核心作用与协议选型

2.2 TCP协议深度解析

2.2.1 TCP头部结构与字段详解

2.2.2 TCP连接管理：三次握手与四次挥手

2.2.3 流量控制与拥塞控制

2.3 UDP协议特性与编程实践

2.3.1 UDP头部结构

2.3.2 UDP编程核心挑战

2.3.3 UDP的适用场景

2.4 SCTP协议：下一代传输协议

2.4.1 SCTP核心特性

2.4.2 SCTP关联建立与关闭

2.5 协议对比与选型指南

2.6 实战：多协议时间服务器

2.6.1 TCP时间服务器

2.6.2 UDP时间服务器

2.6.3 SCTP时间服务器

2.7 调试工具与性能分析

2.7.1 Wireshark抓包分析

2.7.2 网络性能测试

2.8 本章小结与进阶习题

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2.3.2 UDP编程核心挑战

2.3.3 UDP的适用场景

2.4 SCTP协议：下一代传输协议

2.4.1 SCTP核心特性

2.4.2 SCTP关联建立与关闭

2.5 协议对比与选型指南

2.6 实战：多协议时间服务器

2.6.1 TCP时间服务器

2.6.2 UDP时间服务器

2.6.3 SCTP时间服务器

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