TCP协议与UDP协议

Posted 2021-03-28 歆修

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tcp与udp

UDP协议

UDP放在前面是因为UDP协议相对来说知识量少一些。

User datagram protocol–用户数据报协议 ：

用于传输可靠性要求不高，数据量小的数据。主要是将从下层接收的数据进行分段和传输，到达目的地址后再进行重组。常常把这一层数据叫做段。无连接，尽最大努力的数据传输服务其数据传输的单位使用用户数据报。

特点

1. 无连接

2. 尽最大努力交付
   

3. 面向报文
   

4. 无拥塞控制
   

5. 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信
   

6. 首部开销小

首部

 
   
   
 

  
    
    
  首部占8字节
用户数据报有两个字段，数据字段和首部字段。

1）源端口      源端口号，需要对方回信时使用，不需要可以全0
2）目的端口    目的端口号，在终点交付报文时必须使用
3）长度 UDP用户数据报的长度，最小位8（仅有首部）
4）检验和     检验UDP用户数据报在传输过程是否有错
 
   
   
 

TCP协议

Transmission control protocol – 传输控制协议 ：

传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据, 面向连接，其数据传输单位是报文段。

特点

1. 面向连接；通信之前必须建立连接
   

2. 每一条TCP连接只能是点对点的（一对一）；
   

3. 提供可靠交付的服务；通过TCP连接传输的数据，无差错，不丢失，不重复。
   

4. 提供全双工通信；
   

5. 面向字节流。虽然程序和TCP交互是一次一个数据块，
   但是Tcp把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流

报文结构

 
   
   
 

  
    
    
  1）源端口和目的端口各占2字节

2）序号 4字节。

3）确认序号 4字节 
    上一个字段的序号是对数据的编号，所以确认序号是下一个期望接收的TCP分段号，
    相当于是对对方所发送的并且已经被本方所正确接受的分段的确认。仅当ACK标志为1时有效。
    确认号表示期望收到的下一个字节的序号

4）4位的报头长度（数据偏移）
    以32位（4字节）字长为单位，需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。
    跟IP头部一样，以4字节为单位。最大是60个字节。不存在任选字段正常的报头长度是20字节。
    其实相当于给出数据在数据段中的开始位置。

5）保留位，6位，必须为0

6）标志位，占有6个比特位，他们中可以有多个位置为1，依次为：URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。
    URG：该位为1说明表示TCP包的紧急指针域有效，用来保证TCP连接不被中断，并督促上层应用敢快处理这些数据。
    ACK：确认号有效
    PSH：接收方应尽快将这个报文交给应用层，叫做push。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序，而不是在缓冲区中排队。
    RST：连接复位，复位因主机奔溃或其他原因而出现的错误连接，也可以用于拒绝非法的分段或拒绝连接请求，这个用处还是比较多的
    SYN：是一个同步序号，通常与ACK合用用来建立连接。也就是常说的三次握手
    FIN：既然有建立连接那么必然有拆除连接，这个字段表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成

7）紧急指针

8）窗口大小 
    TCP的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。
    窗口大小为字节数，起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节。
    这是一个16 bit字段，因而窗口大小最大为65535字节。

9）检验和 用于对分段首部和数据进行校验。正常情况下为一定为0
 
   
   
 

网络拥塞

计算机网络中的带宽、交换结点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就会变坏。这种情况就叫做拥塞。

试探发送数据

慢开始 + 拥塞避免算法

 
   
   
 

  
    
    
  为了避免之间传输大量数据引起网络拥塞；因此先探测，由小到大来增加发送窗口。

1）慢开始为指数性增长，到达阈值之后，使用拥塞避免，即线性增长（加法增大）

2）直达阻塞，这时会将阈值置为当前窗口的一半，然后采用“乘法减小”，
  
    
    
  从新阈值开始
  
    
    
  ，使用“加法增大”传输
 
   
   
 

重传机制

超时重传

1. 超时重传即数据因网络拥塞或者丢失原因，
   导致接收方没收到数据，则无法为发送方返回确认
   

2. 超过这段时间，发送方重新发送这条数据，等待接收方的确认

快重传

三次握手

 
   
   
 

  
    
    
  （1）第一次握手：
客户端将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=x，并将该数据包发送给服务器端，
客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认。

（2）第二次握手：
服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务器端将标志位SYN和ACK都置为1，
ack=x+1，随机产生一个值seq=y，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，
服务器端进入SYN_RCVD状态。

（3）第三次握手：
客户端收到确认后，检查ack是否为x+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=y+1，
并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为y+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，
客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。
 
   
   
 

四次挥手

 
   
   
 

  
    
    
  （1）第一次挥手：
客户端将标志位FIN=1,seq=u，用来关闭客户端到服务器端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态。
意思是说"我客户端没有数据要发给你了"，但是如果服务器端还有数据没有发送完成，
则不必急着关闭连接，可以继续发送数据。

（2）第二次挥手：
服务器端收到FIN后，先发送ack=u+1，告诉客户端，你的请求我收到了，但是我还没准备好，
请继续你等我的消息。这个时候客户端就进入FIN_WAIT_2 状态，继续等待服务器端的FIN报文。

（3）第三次挥手：
当服务器端确定数据已发送完成，则向客户端发送FIN=1,seq=w报文，告诉客户端，
我这边数据发完了，准备好关闭连接了。服务器端进入LAST_ACK状态。

（4）第四次挥手：
客户端收到FIN=1报文后，就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕服务器端不知道要关闭，
所以发送ack=w+1后进入TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。
服务器端收到ACK后，就知道可以断开连接了。
客户端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明服务器端已正常关闭，客户端也可以关闭连接了。
最终完成了四次握手。
 
   
   
 

为什么是三次握手和四次挥手

为什么第四次挥手客户端要等待2MSL之后才到Close状态

TCP如何保证数据的可靠性

• 检验和

• 序列号

• 确认应答机制（ACK）

• 超时重传机制 ---- 快重传

• 连接管理机制

• 拥塞控制

• 流量控制