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

news2025/3/20 17:46:20

《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

  1. 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。

  2. 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

  1. 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。

  2. 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
  1. 报文丢失处理：需应用层实现超时重传与确认机制；
  2. 乱序处理：为每个报文添加序列号；
  3. 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

  1. 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。

  2. 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TCPUDPSCTP
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、SSHDNS、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：

  1. 实现SCTP多流客户端，验证不同流的独立性；
  2. 使用UDP实现可靠文件传输协议（含ACK与超时重传）；
  3. 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。

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