TCP&UDP协议

Posted 2023-02-19 ohana！

目录

一，TCP协议

1.TCP协议的格式

2.TCP协议的特点

1）有连接

2）可靠传输

3）面向字节流

4）有接收缓冲区，也有发送缓冲区

5）大小不限

6）全双工通信

3.TCP协议的原理——可靠机制

1）确认应答机制

2）超时传输机制

3）连接管理机制 

4）流量控制机制

5）拥塞控制机制

4.TCP协议的原理——效率机制

1）滑动窗口机制

2）延迟应答机制

3）捎带应答机制

5.三次握手

6.四次挥手

二，UDP协议

1.协议格式

2.特点

1）无连接

2）不可靠

3）面向数据报

4）没有发送缓冲区，只有接收缓冲区

5）大小受限

三，TCP&UDP总结

---

一，TCP协议

1.TCP协议的格式

2.TCP协议的特点

1）有连接

通过三次握手建立连接和通过四次挥手关闭连接

2）可靠传输

网络传输的方式，是通过一跳一跳的方式来传递数据的，期间可能发生数据丢失

3）面向字节流

在连接没有关闭之前，可以多次接收数据，也可以多次发送数据

4）有接收缓冲区，也有发送缓冲区

• 在确认应答机制和超时重传机制都会用到缓冲区
• 接收数据：在接收数据时，先将数据保存到接收缓冲区，再交给程序
• 发送数据：发送数据时，先写到发送缓冲区，然后再刷新缓冲区

5）大小不限

因为可以多次发送数据，所以大小不限，可以发送很大的数据

6）全双工通信

双方都可以接收或者是发送数据

3.TCP协议的原理——可靠机制

1）确认应答机制

解释：

• 发送一个数据报之后，需要接收方回答一下是否收到了这个数据报

实现：

• 在tcp协议中有32位序号报头，用于把数据一个字节一个字节的放进去，并且对数据进行了编号
• 报头中的32位确认序号，将下一次需要发送的数据开始序号返回去，并将标志位ack（带确认信息）置为1

2）超时传输机制

解释：

• 不论是发送的数据报丢失或是带确认信息的数据报丢失，都会导致发送端一直接收不到应答，需要重新传输

发送数据报丢失情况：

• 对于发送端以为成功发送，接收端什么都没收到，肯定不会返回，因此直接重发接收端只需要返回确认应答数据报（缓冲区未被刷新，直接重新发送）

确认应答数据报丢失：

• 对于发送端来说这次是真的成功发送了，同时接收端也接收到了并发出了应答确认数据报，但是，确认数据报丢失了，因此，等待一段时间后，发送端要重新发送，接收端再次收到数据报后发现已经接收过了，进行去重操作（利用序列号）后，再次返回确认应答数据报 

超时时间的计算：

• Linux中（BSD Unix和Windows也是如此），超时以500ms为一个单位进行控制，每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍
• 如果重发一次之后，仍然得不到应答，等待 2*500ms 后再进行重传
• 如果仍然得不到应答，等待 4*500ms 进行重传。依次类推，以指数形式递增
• 累计到一定的重传次数，TCP认为网络或者对端主机出现异常，强制关闭连接 

3）连接管理机制 

三次握手和四次挥手的具体过程

4）流量控制机制

解释：

• 接收端处理数据的速度是有限的。如果发送端发的太快，导致接收端的缓冲区被打满，这个时候如果发送端继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等等一系列连锁反应
• 因此TCP支持根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度。这个机制就叫做流量控制

实现：

• 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 "窗口大小" 字段，通过ACK端通知发送端；
• 窗口大小字段越大，说明网络的吞吐量越高；
• 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端；发送端接受到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度；
• 如果接收端缓冲区满了，就会将窗口置为0；这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端

方法：

•  接受端返回的ack数据报中，包含了16位窗口大小的字段，用来标识接收端接收缓冲区的剩余大小，以此来控制发送端发送数据的速度
• 滑动窗口大小就是发送数据的大小，是以流量窗口大小为其一个依据

5）拥塞控制机制

解释：

• 发送数据时，先发一点数据，逐渐提高数据量，防止一次性发送的数据过多，导致大量的丢包
• 拥塞窗口也是作为滑动窗口的一个参考值 

实现：

4.TCP协议的原理——效率机制

1）滑动窗口机制

解释：

就是一次发送多个数据报

窗口大小：可以一次性发送最多数据报的大小

具体窗口大小：取流量窗口和拥塞窗口中的最小值

发送时丢包：

这种丢包会导致以及后面的数据报都接收到了，也不会返回最后一次接收到ack，内部的检测机制会检测序号不连续，并且发现某一个数据报之前的ack连续返回三次，就会重新进行发送

ack丢失：

只要有一次的ack返回都证明之前的数据报都已经接收到了

2）延迟应答机制

解释：

• 主要和滑动窗口大小有关，如果收到之后立马返回，就说明接收端的处理速度很快
• 但是如果等待一定量的数据报再返回，就可以让窗口变得大些，传输的效率就会更高

控制：

• 数量限制：每隔N个包就应答一次；
• 时间限制：超过最大延迟时间就应答一次；
• 具体的数量和超时时间，依操作系统不同也有差异；一般N取2，超时时间取200ms； 

3）捎带应答机制

解释：

就是为了方便也可以让一些返回数据一起返回给发送端

5.三次握手

syn标志位：申请建立连接的标志位

• 客户端发送syn到服务端，申请建立客户端到服务端的连接
• 服务端返回syn+ack给客户端（这是syn的第一次应答），及申请建立服务端到客户端的连接
• 客户端接收到服务端返回的数据报，将状态设置为established，返回ack给服务端（这是syn的第二次应答），服务端接收到数据报，也将状态设置为established，建立了客户端到服务端的连接

6.四次挥手

fin标志位：关闭连接的标志位

• 客户端发送fin到服务端，申请关闭连接
• 服务端接收到后fin后，状态置为CLOSE_WAIT，并且返回一个ack（这个动作是tcp协议栈自己实现的，不需要程序调用代码执行）
• 服务端发送一个fin到客户端，申请关闭到客户端的连接（程序员手动调用socket.close来发送），程序可以执行一些动作，如消耗资源等
• 客户端返回ack（第三次fin的应答），且状态置为CLOSE_WAIT，需要等待一定的时间，置为CLOSED，服务端接收到这个数据报也置为CLOSED，关闭连接（第四次ack也可能出现丢包，那么服务端就需要重新发送第三个fin数据报给客户端，客户端需要进行应答）

二，UDP协议

1.协议格式

2.特点

1）无连接

不需要进行连接，只要知道对方的ip和端口就直接发送

2）不可靠

没有任何可靠机制，发送完就继续下一个，不知道上一个是否发送成功

3）面向数据报

应用层交给UDP多长的报文，UDP原样发送，既不会拆分，也不会合并，不会像TCP一样可以循环发送

4）没有发送缓冲区，只有接收缓冲区

也和UDP的机制一样，因为不需要重复发送，没有可靠机制，那么就不需要等待接收端返回任何收到或是没收到的数据报，但是接收端可以有接收时的缓冲区，防止一次性数据报过大

5）大小受限

UDP协议首部中有一个16位的最大长度。也就是说一个UDP能传输的数据最大长度是64K（包含UDP首部）。

三，TCP&UDP总结

• TCP用于可靠传输的情况，应用于文件传输，重要状态更新等场景；
• UDP用于对高速传输和实时性要求较高的通信领域，例如，早期的QQ，视频传输等。另外UDP可以用于广播；