TCP UDP 分段 IP分片

Posted 2023-03-28

参考技术A udp ip学习博客

3次握手4次挥手

链路层 MTU 最大传输单元 1500 MISS最大分段

TCP 层     数据  tcp +Data

TCP+MISS+id2

D1<MISS

ip +TCP+D1+id2

tcp+D1+id2

tcp一段一段(D1)传 传成功了在传第二段(D2)  数据编号id1

包活计时器  2h    2h后没有对方确认收到  每75秒之后会发送探测包 发送10次 还是没有回应 则失败

UDP（用户数据报协议）-短信

只管发送，不确认对方是否接收到

将数据及源和目的封装成数据包中，不需要建立连接

每个数据包的大小限制在64K之内

因为无需连接，因此是不可靠协议

不需要建立连接，速度快

应用场景： 视频直播,游戏LOL

TCP（传输控制协议）

建立连接，形成传输数据的通道

在连接中进行大数据传输（数据大小不收限制）

通过三次握手完成连接，是可靠协议，安全送达

必须建立连接，效率会稍低

数据链路层 不能大于1500个字节 数据太多必须分片

我们知道，当应用层程序之间进行网络数据传输时，在发送端，数据会从应用层沿着协议栈向下传输，通过TCP/IP层，然后经由链路层发送出去，而在接收

端，则是相反的顺序，数据经由链路层接收，然后沿着协议栈向上传输，通过IP/TCP层，最后由应用层程序进行读取。

而在IP层往链路层传输数据的时候，往往会做一个分片的操作，对于大多数链路层来讲，它都有一个最大传输单元（MTU），表示能够发送数据量的大小，它是由硬件决定的。比如以太网的MTU为1500字节。当IP层传输给链路层的数据量大于其MTU时，那么IP层就会将数据拆分为小于其链路层MTU的数据片，再传输给链路层进行发送 ,但是对于不同的传输层协议（TCP/UDP）来说，在IP层上，需不需要进行分片是不同的

TCP层的分片

对于TCP来说，它是尽量避免分片的，为什么？因为如果在IP层进行分片了话，如果其中的某片的数据丢失了，对于保证可靠性的TCP协议来说，会增大重传,数据包的机率，而且只能重传整个TCP分组（进行IP分片前的数据包），因为TCP层是不知道IP层进行分片的细节的，也不关心。

当TCP层进行TCP分组的重传后，还会直接影响到应用层程序的性能，特别是在应用程序使用阻塞IO进行读写的时候。要理解这点，首先我们要知道当

应用层程序往TCPIP协议栈写数据的时候都做了些什么事。

在应用层程序中，我们可以有自己的发送缓冲区，而TCP层本身也有自己的一个发送缓冲区，默认情况下一般是8k大小，可以通过SO_SNDBUF设置或读取。 当我们在应用层往TCP层写数据的时候，实际上是将应用层发送缓冲区的数据拷贝到TCP层的发送缓冲区中。当TCP层的发送缓冲区满或者网络空闲时，TCP层就 会将其缓冲区中的数据通过IP层传到链路层的发送队列中。如果TCP层的发送缓冲区满而且应用层的数据没有写完时，内核会将write系统调用挂起，并不返回给应用层程序，直到应用层的数据全部拷贝到TCP层的缓冲区中。而由于TCP层要保证数据包的可靠性，即数据包丢失时要进行重传，那么TCP层在往网络发送TCP分组后，需要在其发送缓冲区中暂时保存发出的TCP分组数据用于后续可能的重传。

在这样的前提下，如果IP对来自TCP层的数据进行了分片， 那么就有可能使得应用层程序一直在write系统调用处挂起等待，引起性能的下降。

TCP层如何避免IP层的分片

首先，我们先回顾下TCP建立连接的3次握手：

在这3次握手中，除了确认SYN分节外，通信的两端还进行协商了一个值，MSS，这个值用来告诉对方，能够发送的TCP分节的大小。这个值一般是取其链路层的MTU大小减去TCP头部大小和IP头部的大小。 MSS=MTU-TCP头部大小-IP头部大小.  MTU的值可以通过询问链路层得知。当两端确认好MSS后进行通信，当TCP层往IP层传输数据时，如果TCP层缓冲区的大小大于MSS，那么TCP层都会将其发送缓冲区中的数据切分成MSS大小的分组进行传输，由于MSS是通过MTU减去TCP头部大小和IP头部的大小计算得出的，MSS肯定比MTU小，那么到IP层的时候就可以避免IP层的分片。

UDP层的分片

如果我们采用的是UDP协议而不是TCP协议呢？在IP层会不会进行分片？由于UDP是不需要保证可靠性的，那么它就不会保存发送的数据包，TCP之所以保存发送的数据包是因为要进行重传。所以UDP本身是没有像TCP一样的发送缓冲区的。这就导致了对UDP进行write系统调用的时候，实际上应用层的数据是直接传输到IP层，由于IP层本身也不会有缓冲区，数据就会直接写到链路层的输出队列中。在这种情况下，IP层会不会对来自UDP的数据进行分片呢？这个取决于UDP数据报的大小。如果UDP数据报的大小大于链路层的MTU，那么IP层就会直接进行分片，然后在发送到链路层的输出队列中，反之，则不会进行分片，直接加上IP头部发送到链路层的输出队列中。

TCP/UDP实验

看完了理论，让我们实践一把，看是否与以上的理论相符。

对于TCP来说，它是尽量避免分片的。假设我们这里要发送给TCP层的数据大小为2748个字节，这个大小是明显大于链路层的发送数据的大小的，在这个情况

下我们来看，对于来自TCP层的数据，IP会不会进行分片。

从第一张图看来，应用层的2748个字节在TCP层就进行了分段，分层了两个TCP段，一个1460字节，一个1288字节。那么到IP层的时候，自然就不会在进行分片了。

从第二张图片看出，在这两个TCP分段中，在序号3处，IP的头部字段 （Don ' t Fragment） 被设置了，用于告诉IP层不要对该数据进行分片。

而对于MSS大小的协商，我们可以从下面这张图片看到，下面的图片是TCP CLIENT发出的第一个SYN TCP分段：

对于UDP来说，假设我们要发送的一个UDP数据包大小为1600个字节，那么在实际上通过UDP/IP分发出去的时候，会不会进行分片呢? 看如下的图片： 

从上面的图片可以看出，我们发送的数据包的大小为1600字节（序号1处），在UDP层，长度为1608字节（序号2处），这里的8个字节是UDP的头部字段的长度， 到了IP层（序号3处），我们可以清楚的看到IP对UDP数据包进行了分片，一个大小为1480字节，一个为128字节.

区别：

1.IP分片产生的原因是网络层的MTU；TCP分段产生原因是MSS.

2.IP分片由网络层完成，也在网络层进行重组；TCP分段是在传输层完成，并在传输层进行重组.   //透明性

3.对于以太网，MSS为1460字节，而MUT往往会大于MSS.

 故采用TCP协议进行数据传输，是不会造成IP分片的。若数据过大，只会在传输层进行数据分段，到了IP层就不用分片。

而我们常提到的IP分片是由于UDP传输协议造成的，因为UDP传输协议并未限定传输数据报的大小。