TCP和UDP基本原理1-(H3CNE)

Posted 2022-03-19 mb5cbe9df5136d6

TCP/IP 协议族的传输层协议主要包括TCP（Transfer Control Protocol，传输控制协议）和UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。​TCP是面向连接的可靠的传输层协议​。它支持在并不可靠的网络上实现面向连接的可靠的数据传输。​UDP是无连接的传输协议，主要用于支持在较可靠的链路上的数据传输，或用于对延迟较敏感的应用​。

​一、TCP/IP传输层的作用​

TCP/IP 的传输层位于应用层和网络层之间，为终端主机提供端到端的连接。TCP/IP 的传输层有TCP（Transfer Control Protocol，传输控制协议）和UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）两种主要协议。TCP 和UDP 都基于相同的网络层协议IP。传输层协议的主要作用包括：

• 提供面向连接或无连接的服务：传输层协议定义了​通信两端点之间是否需要建立可靠的连接关系​。

• 维护连接状态：如果必须在通信前建立连接关系，传输层协议必须在其数据库中记录这种连接关系，并且通过某种机制维护连接关系，及时发现连接故障等。

• 对应用层数据进行分段和封装：​应用层数据往往是大块的或持续的数据流，而网络只能发送长度有限的数据包，传输层协议必须在传输应用层数据之前将其划分成适当尺寸的段（segment），再交给IP 协议发送​。

• 实现多路复用（Multiplexing）：一个IP 地址可以标识一个主机，一对“源－目的”IP地址可以标识一对主机的通信关系，而一个主机上却可能同时有多个程序访问网络，因此​传输层协议采用端口号（port number）来标识这些上层的应用程序，从而使这些程序可以复用网络通道​。

• 可靠地传输数据：数据在跨网络传输过程中可能出现错误、丢失、乱序等种种问题，传输层协议必须能够检测并更正这些问题。

• 执行流量控制（flow control） ：当发送方的发送速率超过接受方的接受速率时，或者当资源不足以支持数据的处理时，传输层负责将流量控制在合理的水平；反之，当资源允许时，传输层可以放开流量，使其增加到适当的水平。

​二、TCP协议基本原理（1）TCP 协议的特点​

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、端到端的可靠传输协议。TCP 的主要特点包括：

• 三次握手（Three-Way Handshake）建立连接：​确保连接建立的可靠性​。

• 端口号：​通过端口号标识上层协议和服务，实现了网络通道的多路复用​。

• 完整性校验：通过对协议和载荷数据计算校验和（Checksum），​保证了接收方能检测出传输过程中可能出现的差错​。

• 确认机制：​对于正确接收到的数据，接收方通过显式应答通告发送方，超出一定时间之后，发送方将重传没有被确认的段，确保传输的可靠性​。

• 序列号：​发送的所有数据都拥有唯一的序列号，这样不但唯一标识了每一个段（segment），而且明确了每个段在整个数据流中的位置，接收方可以利用这些信息实现确认、丢失检测、乱序重排等功能​。

• 窗口机制：​通过可调节的窗口，TCP 接收方可以通告期望的发送速度，从而控制数据的流量​。

TCP的这些功能特点通过TCP报文携带的字段实现，具体见下。

​（2）TCP 封装​

TCP 段的头格式如上图所示，其协议头最少20 个字节。其中主要字段如下：

• 源端口（Source Port）：16位的源端口字段包含初始化通信的端口号。源端口和源IP地址的作用是标识报文的返回地址。

• 目的端口（Destination Port）：16位的目的端口字段定义传输的目的。这个端口指明接收方计算机上的应用程序接口。

• 序列号（Sequence Number）：该字段用来标识TCP 源端设备向目的端设备发送的字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则TCP 用序列号对每个字节进行计数。序列号是一个32 位的数。

• 确认号（Acknowledgement Number）：TCP 使用32 位的确认号字段标识期望收到的下一个段的第一个字节，并声明此前的所有数据都已经正确无误地收到，因此，确认序号应该是上次已成功收到的数据字节序列号加1。收到确认号的源计算机会知道特定的段已经被收到。确认号的字段只在ACK 标志被设置时才有效。

• 数据偏移（Data Offset）：这个4 位字段包括TCP头大小，以32 位数据结构（字）为单位。

• 保留（Reserved）：6 位置0 的字段。为将来定义新的用途保留。

• 控制位（Control Bits）：共6位，每1位标志可以打开一个控制功能，这六个标志从左至右是URG（Urgent Pointer field significant ，紧急指针字段标志）、ACK（Acknowledgment field significant，确认字段标志）、PSH（Push Function，推功能）、RST（Reset the connection ，重置连接）、SYN（Synchronize sequence numbers，同步序列号）、 FIN （No more data from sender  ，数据传送完毕）。

• 窗口（Window）：目的主机使用16位的窗口字段告诉源主机它期望每次收到数据的字节数。窗口段是一个 16 位字段。
• 校验和（Checksum）：TCP头包括16位的校验和字段用于错误检查。源主机基于部 分 IP 头信息、TCP头和数据内容计算一个校验，目的主机也要进行相同头和数据内容计算一个校验，目的主机也要进行相同计算，目的主机也要进行相同头和数据内容计算一个校验，目的主机也要进行相同头和数据内容计算一个校验，如果收到的内容没有错误过，两个计算结应该完全一样，从而证明数据的有效性。
• 紧急指针（Urgent Pointer）：紧急指针字段是一个可选的16位指针，指向段内的最后一个字节位置，这个字段只在URG标志被设置时才有效。
• 选项（Options）：至少1字节的可变长字段，标识哪个选项（如果有的话）有效。如果没有选项，这个字节等于0，说明选项字段的结束。这个节等于1表示无需再有操作；等于2表示下四个字节包括源机器的最大段长度（ Maximum Segment Size）。MSS是数据字段中可包含的最大量，源和目机器要对此达成一致。当一个TCP连接建立时，连接的双方都要通告各自MSS，协商可以传输的最大段长度。常见的MSS有1024字节，以太网可达1460字节。
• 数据（Data）：从技术上讲，它并不是TCP头的一部分，但应该了解到数据字段位于紧急指针/或选项字段之后，填充字段之前。字段的大小是最大的MSS，MSS可以在源和目的机器之间协商。数据段可能比MSS小，但却不能比MSS大。
• 填充（Padding）：这个字段中加入额外的零 ，以保证TCP头是 32 位的整数倍。

​（3）TCP/UDP 端口号​

在 IP 网络中，一个IP 地址可以唯一地标识一个主机。但一个主机上却可能同时有多个程序访问网络，要标识这些程序，只用IP 地址就不够了。因此​TCP/UDP 采用端口号（port number）来标识这些上层的应用程序，从而使这些程序可以复用网络通道​。而为了区分TCP 和UDP 协议，IP 用协议号6 标识TCP，用协议号17 标识UDP。

在实际的端到端通信中，通信的双方实际上是两个应用程序，这两个程序都需要用各自的端口号进行标识。所以，一个通信连接可以用双方的IP 地址以及双方的端口号来标识，而每一个数据报内也必须包含源IP 地址、源端口、目的IP 地址和目的端口。IP 地址在IP 头中标出，而端口号在TCP/UDP 头中标出。

TCP/UDP 的端口号是一个16 位二进制数，即端口号范围可以为0～65535。其中，端口0～1023 由IANA（Internet Assigned Numbers Authority，Internet 号码分配机构）统一管理，分配或保留给众所周知的服务使用，这些端口称为众所周知端口（Well-known port）。​大于1023的端口号没有统一的管理，可以由应用程序任意使用​。详细分配信息可参见RFC 1700。

保留众所周知端口的必要性显而易见。例如，若HTTP 服务的端口号是任意值，则用户在访问Internet 网站时就会遇到麻烦，因为浏览器不知道目的网站所使用的端口号，用户就要自己输入端口号。但是这并不意味着众所周知的协议必须使用众所周知的端口号。例如管理员也可以为HTTP 协议分配端口8080，目的恰恰是避免任何人都能随意访问其网页。

保留端口（0-1023）分配给知名的服务了，比如telent23，ssh22。比如在访问互联上的https服务时，源端口是随机产生的1024以上的端口，目的端口是443。

在电脑上用netstat -ano命令可以看端口的使用情况。