网络基础TCPUDP协议

Posted 2021-04-16 Ai网事

说起TCP、UDP协议，一般都会先讲TCP、UDP协议的区别。而一讲到TCP、UDP协议的区别，我们一般都会像背书一样的说到：TCP协议是面向连接的，UDP协议是无连接的。那么再往下，为什么TCP协议是面向连接的？UDP就是无连接的？TCP、UDP协议哪种比较好？TCP、UDP协议报文的结构，工作的原理是怎样的呢？

会了不难，难了不会，关键是有时会了，过几天又不会了。

为啥？

忘记了！

所以，温故知新，今天就一起温故一下吧。

TCP协议是面向连接的，在数据传输之前，TCP先要在发送方与接收方之间建立一条虚拟连接，然后进行数据传输，数据传输完成以后，TCP关闭这条虚拟连接。

TCP协议有五个服务特征：全双工、点对点、面向字节流、支持数据缓冲和立即发送、提供紧急数据功能。

TCP连接有三个阶段：连接建立、数据传输、连接拆除。

TCP协议的核心就是重传和窗口机制。重传很好理解，就是在指定时间内，如果没有收到接收端返回的收到确认，那么发送端就会进行重发。

窗口分为接受端窗口和发送端窗口，发送端窗口又叫做拥塞窗口。这两者都可以控制传输数据大小，避免拥塞。

先看下上面这张TCP头部报文示意图。

最上面一行，画的是一把尺子，尺子的刻度从00到31。这把尺子不是TCP头部的结构，而是画上去用来丈量TCP头部各部分长度的。这把尺子的单位是位（bit），也就是我们说的比特。因为8位=1个字节，所以每一行从左到右的大小是32bit，4个Byte。TCP头部前5行叫做固定部分，最后一行TCP Options叫做可选项，长度是不固定的，其大小在0-40字节之间变化。所以一个TCP 头部有20字节的固定大小，也就是说TCP头部最小为20字节，最大为60字节。

      

总体看完以后，再逐一研究每一个字段的功能。

Source port：源端口号字段，大小为16位，2个字节。

Destination port：目的端口号字段，大小也是16位，2个字节。

源端口、目的端口都是OSI七层模型中传输层的概念，端口其实就是主机不同进程的一个标识。

Sequence Number：序列号，大小为32位，4个字节。因为IP数据包是不可靠的，在传输过程中会出现丢失或者乱序的情况。而TCP报文是封装在IP包头内的，所以接受方在收到TCP报文以后，要根据Sequence Number对TCP报文进行排序重组。

Acknowledgement Number：确认号，大小为32位，4个字节。是接收方对发送方发送过来的数据的确认响应，告知发送方报文已收到，可以发送下一个分组了。如果接收方不回复ACK，那么发送方在计时超时后就会重新发送之前的分组报文。

HL：head length，这个字段本身的大小是4位，用它来表示TCP报头的大小。报头示意图中每一行是4字节，而HL其实是表示报头一共有多少行的。4位可以表示最大的10进制数值是15（8+4+2+1），那么报头最大就会有15行，即60字节。（尽量理解吧，抓包软件中会直接显示数据报头大小的）

Flags：12位，包含Reserved、Nonce、CWR、ECN、Urgent、ACK、Push、Reset、Syn、Fin字段。

Reserved：保留位，3位。它的作用就是没作用，只做保留。有的人将Nonce、CWR、ECN一起划分到Reserved中，那么reserved占6位，还有的人单独将Nonce划分到Reserved中，那么Reserved占4位，都不准确，我们看一下wirshark抓包情况。

从数据包看Reserved占用3位，其余字段均占用1位，并且都包含在Flags中。

Nonce：用于防止TCP发送者的数据包标记被恶意或者意外改动。

CWR：回传拥塞指示，即指示发送者应减少信息发送量。

ECN-Echo：确认接收到了拥塞指示回应。

以上三位（ECN）是可选项，当ECN被使用时，必须在连接建立时，通过SYN和SYN-ACK段中包含适当选项来协商。

Urgent：Urgent pointer是否有效的标记位，当Urgent为1时，Urgent pointer有效，当Urgent为0时，Urgent pointer无效。（稍后介绍Urgent pointer以及紧急数据的机制）

ACK：确认标志位，置1有效，作用为接收方告知发送方数据已被正常接收。

PUSH：推送标志位，置1有效，正常发送端发送给接收端的数据会被放在接收端的数据缓冲区中，当数据缓冲区满了以后，将数据交给应用层处理。当一段分组数据的PUSH位被发送端置1时，接收端接收后会直接将这段分组数据交由应用层处理，而不是先放到数据缓冲区内。

Reset：连接复位请求，用来复位TCP连接，置1有效。

SYN：TCP建立连接时的握手信号，置1有效。

FIN：双方数据传输完成，发送FIN连接被断开。

Window：接收窗口，大小为16位，2个字节。用来告知发送端自己能接收的数据量，从而达到流量控制的目的。接收端win的大小一定要大于发送端len的大小。

Checksum：TCP校验，大小为16位，用来校验TCP数据的有效性。

Urgent Pointer：与Urgent字段配合使用，当Urgent置1时有效。一般情况下，数据被接收端接收以后，先放在缓存中，待重组后再交给应用层进行处理。而如果是紧急数据，则不进行缓存而直接交给应用层进行处理。Urgent Pointer 就是用来标记哪部分数据属于紧急数据。其紧急数据部分=sequence number+urgent pointer。

TCP options：选项字段，虽然在示意图中只画了一行，但其大小在0-40字节之间，它设定了接收方能够接受的TCP最大载荷能力。缺省为536字节。

UDP相对于TCP，只在IP数据报服务至上增加了很少一点功能，即端口和差错检测，所以UDP的首部开销很小，只有8个字节。

UDP虽然没有TCP有那么多机制对传输服务进行保障，但是UDP却有这非常高效的传输效率。UDP传输之前不需要建立连接，既不保证可靠交付，也没有拥塞控制。因为UDP传输效率高，又支持一对一、一对多、多对一、多对多的交互通信，所以非常适合多媒体的通信要求。

基于TCP和UDP的区别，所以场景要求不同，应用不同。例如同样是文件传输，如果网络质量不能保证，我们会优先选择FTP协议来传输文件。但如果网络质量可靠，我们可能会选择TFTP协议来进行文件传输。另外像一些即时通信的软件，都是采用的UDP协议。而像邮件、HTTP之类的应用则采用TCP协议。

好了，先聊这么多，聊的不好多指教。

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