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TCP、UDP 与 QUIC

先选语义，再选协议

能力 TCP UDP QUIC
应用看到的单位 有序字节流 数据报 多个可靠流与不可靠 datagram 扩展
可靠与有序 全连接一个序列空间 不提供 每条流独立有序
握手与加密 TCP 与 TLS 分离 无内建 TLS 1.3 集成
多路复用丢包阻塞 所有上层流共享 TCP 顺序 应用决定 通常只阻塞受影响的 QUIC stream
连接迁移 四元组变化即新连接 应用决定 Connection ID 支持路径迁移

UDP 不是“不可靠 TCP”，而是最小的多路复用数据报服务。应用若需要可靠性、分片、重传、拥塞控制与防放大，必须自行设计或采用 QUIC 等已定义协议。

TCP：序列空间上的可靠字节流

三次握手让双方同步初始序列号并确认双向可达。发送方给字节编号；接收方累计确认下一个期望字节。重传由 RTO 与快速重传触发，流量控制由接收窗口 rwnd 限制，拥塞控制由 cwnd 限制：

\[ \text{flight size}\le \min(\mathrm{rwnd},\mathrm{cwnd}) \]

TCP 不保存应用 write() 的边界。一次写可能被拆成多次读，多次写也可能被一次读合并。因此应用必须定义 framing，例如固定头部携带长度，并处理 partial read/write。

连接关闭也有方向：shutdown(SHUT_WR) 发送 FIN，只表示本端不再发送；对端仍可继续回包。RST 表示异常终止，未读数据与应用级处理状态不能据此推断。

UDP：保留边界的最小传输

UDP 每次发送对应一个数据报，接收缓冲区太小时其余部分会被截断。它不保证：

  • 报文到达或只到达一次；
  • 顺序；
  • 速率公平；
  • 路径 MTU 适配；
  • 源地址真实性。

面向公网的 UDP 服务必须限制放大：在验证客户端地址前，响应字节数不应远大于请求；还应实现令牌、速率限制与拥塞反馈。

QUIC：用户态、加密、多流

QUIC 把传输状态置于 UDP 之上，并将 TLS 1.3 握手集成进连接建立。Packet Number 不因重传复用；可靠性以 frame 和 stream offset 表达。ACK 确认包，但丢失包中的可重传 frame 可以装入新包。

每条 stream 有独立偏移，因此一个流丢包通常不阻塞其他流的数据交付；连接级与流级 flow control 同时存在。Connection ID 解耦连接身份与 IP/端口四元组，使 NAT rebinding 和迁移成为协议内能力。

0-RTT 降低重连延迟，却可能被重放。只有可重放安全的操作才应接受 early data；“TLS 已加密”不等于“业务不会重复执行”。

超时、重试与幂等

传输超时只说明客户端没有及时观察到成功，不能证明服务器未执行。安全重试需要业务级请求 ID 与幂等记录：

client: create(request_id, payload)
server:
  if request_id already committed: return stored result
  validate -> commit result and request_id atomically -> reply

退避可用带抖动的指数策略：

\[ t_k\sim U(0,\min(t_{\max},t_0 2^k)) \]

总超时预算应覆盖排队、DNS、握手、重传与服务时间，并向下游传播取消；每层独立设置宽松超时会让尾部请求在系统内长期堆积。

失败模式与观测

  • SYN 重传：可能是请求或回包路径、监听队列、防火墙问题。
  • 大量 zero window：接收应用消费不及，不是网络带宽不足。
  • QUIC 退回 TCP：检查 UDP 阻断、版本协商与 HTTP Alt-Svc，而非直接归因服务器。
  • UDP 丢包：同时检查 socket receive buffer、NIC ring、内核 backlog 和链路队列。
  • TIME_WAIT：保护旧报文与关闭可靠性；盲目缩短可能制造四元组复用错误。

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Reference