网络：传输层协议：TCP&&UDP

Posted 2022-01-30 mbf330

文章目录

• UDP
• • 1.UDP特点
  • 2.UDP协议段格式
  • 3.UDP的缓冲区
  • 4.UDP使用注意事项
  • 5.基于UDP的应用层协议
• TCP
• • 1.TCP特点
  • 2.TCP协议段格式
  • 3.TCP的三种机制
  • • • （1）确认应答(ACK)机制
      • （2）超时重传机制
      • （3）连接管理机制
  • 4.TCP传输的两种状态
  • • • （1）TIME_WAIT状态
      • （2）CLOSE_WAIT 状态
  • 5.滑动窗口
  • 6.流量控制
  • 7.拥塞控制
  • 8.延迟应答
  • 9.捎带应答
  • 10.面向字节流
  • 11.粘包问题
  • 12.TCP异常情况
  • 13.TCP小结
  • 14.基于TCP应用层协议
• TCP/UDP对比

UDP

1.UDP特点

1. 传输层协议
   属于传输层协议;
2. 无连接
   知道对端的IP和端口号就直接进行传输, 不需要建立连接;
3. 不可靠传输
   没有确认机制, 没有重传机制; 如果因为网络故障该段无法发到对方, UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息;
4. 面向数据报
   不能够灵活的控制读写数据的次数和数量。

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；比如：

• 用UDP传输100个字节的数据:
  如果发送端调用一次sendto, 发送100个字节, 那么接收端也必须调用对应的一次recvfrom, 接收100个字节; 而不能循环调用10次recvfrom, 每次接收10个字节;

2.UDP协议段格式

• UDP的协议段为定长报头，为8字节；
• 包含16位源端口号，16位目的端口号，16位UDP长度，16位UDP检验和。
  

1. 源端口号：该报头从哪里向服务器请求数据；标识一台主机发起通信的那个进程；
2. 目的端口号：该报头向哪里请求数据，标识另一台主机接受通信的那个进程；
3. UDP长度：表示整个数据报(UDP首部+UDP数据)的最大长度;
4. UDP检验和：如果检验和出错, 就会直接丢弃。

3.UDP的缓冲区

• UDP没有真正意义上的发送缓冲区。调用sendto会直接交给内核，由内核将数据传给网络层协议进行后续的传输动作；

• UDP具有接收缓冲区。但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报的顺序和发送UDP报的顺序一致； 如果缓冲区满，再到达的UDP数据就会被丢弃；

• UDP的socket既能读, 也能写, 这个概念叫做全双工。

4.UDP使用注意事项

• 我们注意到，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)。64K在当今的互联网环境下，是一个非常小的数字。
• 如果我们需要传输的数据超过64K，就需要在应用层手动的分包，多次发送，并在接收端手动拼装；

5.基于UDP的应用层协议

• NFS: 网络文件系统
• TFTP: 简单文件传输协议
• DHCP: 动态主机配置协议
• BOOTP: 启动协议(用于无盘设备启动)
• DNS: 域名解析协议
• 自己写UDP程序时自定义的应用层协议;

TCP

1.TCP特点

1. 传输层协议
2. 有连接
   知道对端的IP和端口号后需要与对端建立连接，然后再传输数据;
3. 可靠传输
   有确认应答机制，超时重传机制，连接管理机制来保证数据的可靠传输；
4. 面向字节流
   能够灵活的控制读写数据的次数和数量。

2.TCP协议段格式

• 包含16位源端口号，16位目的端口号，32位序号，32位确认序号，4位首部长度，16位窗口大小，16位检验和，15位紧急指针，以及数据。
  

1. 源端口号：该报头从哪里向服务器请求数据；标识一台主机发起通信的那个进程；
2. 目的端口号：该报头向哪里请求数据，标识另一台主机接受通信的那个进程；
3. 32位序号： 对数据进行编号，保证发送端到接收端的数据按序到达；
4. 32位确认序号：保证接收端确认应答(ACK)，确认序号=已发送的数据最大编号+1；
   TCP通信是全双工，如果发送端与接收端同时工作，发送端关心确认序号，以便继续向接收端发送数据；接收端关心序号，以便向发送端进行ACK。
5. 4位首部长度：取值范围0101（5）~1111（15）；代表整个报头一共有多少个4字节；最小为0101是因为最小为20字节，选项最多为40字节；
6. 6位标志位:

• URG: 紧急指针是否有效
• ACK: 确认序号是否有效
• PSH: 提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走（催促接收端读数据）
• RST: 在建立连接失败时，对方要求重新建立连接; 我们把携带RST标识的称为复位报文段
• SYN: 请求建立连接; 我们把携带SYN标识的称为同步报文段
• FIN: 通知对方, 本端要关闭了, 我们称携带FIN标识的为结束报文段

8. 16位窗口大小：代表自身 接收缓冲区当中剩余空间的大小；
9. 16位检验和：由发送端填充，CRC校验。接收端校验不通过,，则认为数据有问题，直接丢弃。此处的检验和不光包含TCP首部，也包含TCP数据部分；
10. 16位紧急指针：一个偏移量，标识哪部分数据是紧急数据。紧急数据是需要被优先处理的数据。

以下内容均是保证TCP传输时的可靠性相关

3.TCP的三种机制

（1）确认应答(ACK)机制

• TCP将每个字节的数据都进行了编号。即为序列号。
  

• 每一个ACK都带有对应的确认序列号， 意思是告诉发送者，我已经收到了哪些数据；下一次你从哪里开始发。
  
  1. ACK本身不需要ACK；
  2.不存在绝对可靠，因为始终存在最新的一条消息没有被ACK；

（2）超时重传机制

超时重传的唯一标准就是发送数据的一端是否收到接收端的ACK；

• 主机A发送数据给B之后， 可能因为网络拥堵等原因，数据无法到达主机B；如果主机A在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答， 就会进行重发；
  
• 如果主机B发送的ACK丢失，主机A未收到B发来的ACK, 也可能认为数据丢失了;
  TCP为了保证较高性能的通信, 会动态计算最大超时时间
• 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会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

• 在正常情况下, TCP要经过三次握手建立连接, 四次挥手断开连接。
• 为何是三次握手：服务器是一对多的，在建立连接时最担心的总是最后一次报文的发送丢失，如果是一次或两次握手，容易造成SYN洪水攻击（向服务器端发送大量SYN连接请求，造成服务器瘫痪）；如果是四次，最后一次报文丢失会造成服务器挂载大量无用链接，在极端情况下服务器崩溃（如断网），更多次数便无意义，都与三次与四次是同等作用。
• 为何是四次握手：因为TCP是全双工通信，客户端主动要求断开连接（向服务器发送FIN）后服务器端会确认收到断开连接的请求（向客户端发送ACK）；服务器端也请求一次断开连接（向客户端发送FIN），客户端也确认收到断开连接的请求（向服务器发送ACK）；之后连接正式断开。
  
  服务端状态转化:

1. [CLOSED -> LISTEN] 服务器端调用listen后进入LISTEN状态, 等待客户端连接；
2. [LISTEN -> SYN_RCVD] 一旦监听到连接请求(同步报文段), 就将该连接放入内核等待队列中, 并向客户端发送SYN确认报文；
3. [SYN_RCVD -> ESTABLISHED] 服务端一旦收到客户端的确认报文, 就进入ESTABLISHED状态, 可以进行读写数据了；
4. [ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT] 当客户端主动关闭连接(调用close), 服务器会收到结束报文段, 服务器返回确认报文段并进入CLOSE_WAIT；
5. [CLOSE_WAIT -> LAST_ACK] 进入CLOSE_WAIT后说明服务器准备关闭连接(需要处理完之前的数据); 当服务器真正调用close关闭连接时, 会向客户端发送FIN, 此时服务器进入LAST_ACK状态, 等待最后一个ACK到来(这个ACK是客户端确认收到了FIN)。
6. [LAST_ACK -> CLOSED] 服务器收到了对FIN的ACK, 彻底关闭连接。

客户端状态转化:

1. [CLOSED -> SYN_SENT] 客户端调用connect, 发送同步报文段;
2. [SYN_SENT -> ESTABLISHED] connect调用成功, 则进入ESTABLISHED状态, 开始读写数据;
3. [ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1] 客户端主动调用close时, 向服务器发送结束报文段, 同时进入FIN_WAIT_1;
4. [FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2] 客户端收到服务器对结束报文段的确认, 则进入FIN_WAIT_2, 开始等待服务器的结束报文段;
5. [FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT] 客户端收到服务器发来的结束报文段, 进入TIME_WAIT, 并发出LAST_ACK;
6. [TIME_WAIT -> CLOSED] 客户端要等待一个2MSL(Max Segment Life, 报文最大生存时间)的时间, 才会进入CLOSED状态。

在三次挥手与四次握手时，最重要的总是最后一次客户端向服务器端发送ACK，如果处理不慎，这种情况在三次挥手会造成服务器链接建立误判，四次挥手时会让服务器的链接无法关闭。接下来谈谈如何解决这两个问题。

• 三次握手最后一次报文丢失：只有在服务器端正式收到ACK（确认应答）时，才会建立链接。这个问题比件容易解决。
• 四次挥手最后一次报文丢失：客户端发送确定断开连接的ACK后要等待一个2MSL(Max Segment Life, 报文最大生存时间)的时间，如果该ACK丢失服务器会重发FIN，若客户端再收到FIN报文，便重发ACK；这个过程中，客户端没有收到消息便是好消息。

4.TCP传输的两种状态

（1）TIME_WAIT状态

TIME_WAIT状态是主动断开连接的一方（通常是客户端，后面用客户端代替）在四次挥手进行最后一次ACK确认断开连接之前的状态。

如果没有TIME_WAIT

• 客户端如果立马断开连接，如果ACK丢失，服务器端便收不到ACK，服务器端的链接便无法关闭。

TIME_WAIT的作用

• 客户端发送确定断开连接的ACK后进入TIME_WAIT，等待一个2MSL(Max Segment Life, 报文最大生存时间)的时间，如果该ACK丢失服务器会重发FIN，若客户端再收到FIN报文，便重发ACK；这个过程中，客户端没有收到消息便是好消息。

TIME_WAIT的意义

• 尽量保证最后一个ACK被服务器端收到。让服务器的资源尽快释放；
• 保证历史数据尽快在网络中消散。

（2）CLOSE_WAIT 状态

CLOSE_WAIT状态出现在四次挥手中客户端主动请求断开连接第一次发送FIN给服务器端后服务器端的状态，这时服务器端准备关闭连接。

• 在服务器端进入CLOSE_WAIT状态时，服务器准备断开连接，关闭套接字；在服务器给客户端发送FIN并且客户端ACK之后，服务器调用close()函数关闭套接字，链接正式断开，服务器进入CLOSE状态。
• 对于服务器上出现大量的 CLOSE_WAIT 状态, 原因就是服务器没有正确的关闭 socket, 导致四次挥手没有正确完成。 只需要加上对应的 close 即可解决问题。

5.滑动窗口

• 刚才我们讨论了确认应答策略, 对每一个发送的数据段, 都要给一个ACK确认应答。收到ACK后再发送下一个数据段。
  这样做有一个比较大的缺点, 就是性能较差. 尤其是数据往返的时间较长的时候。

• 既然这样一发一收的方式性能较低, 那么我们一次发送多条数据, 就可以大大的提高性能(其实是将多个段的等待时间重叠在一起了)。
  
  滑动窗口

1. 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值。上图的窗口大小就是4000个字节(四个段)；
2. 发送前四个段的时候, 不需要等待任何ACK, 直接发送；
3. 收到第一个ACK后, 滑动窗口向后移动, 继续发送第五个段的数据; 依次类推；
4. 操作系统内核为了维护这个滑动窗口, 需要开辟 发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有应答; 只有确认应答过的数据, 才能从缓冲区删掉；
5. 窗口越大, 则网络的吞吐率就越高。
   
   当然，滑动窗口也存在丢包问题，以下谈谈如何解决

情况1： 数据包已经抵达, ACK被丢了。

• 这种情况下, 部分ACK丢了并不要紧, 因为可以通过后续的ACK进行确认;
  
  情况2：数据包直接丢失。
  高速重发控制；也叫快重传

• 当某一段报文段丢失之后, 发送端会一直收到 1001 这样的ACK；

• 如果发送端主机连续三次收到了同样一个 “1001” 这样的应答, 就会将对应的数据 1001 - 2000 重新发送;

• 这个时候接收端收到了 1001 之后, 再次返回的ACK就是7001了(因为2001 - 7000)接收端其实之前就已经收到了, 被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中。
  

6.流量控制

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(Flow Control);

流量控制

• 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。
• TCP首部40字节选项中包含了一个窗口扩大因子M, 实际窗口大小是窗口字段的值左移 M 位;
  

7.拥塞控制

网络上有很多的计算机, 可能当前的网络状态就已经比较拥堵。在不清楚当前网络状态下, 贸然发送大量的数据，很有可能使网络雪上加霜。

慢启动

• TCP引入慢启动机制, 先发少量的数据，摸清当前的网络拥堵状态，再决定按照多大的速度传输数据；
• “慢启动” 只是指初使时慢，增长速度非常快。

拥塞窗口

• 发送开始的时候, 定义拥塞窗口大小为1;
• 每次收到一个ACK应答, 拥塞窗口扩大一杯，以指数方式增长;
• 每次发送数据包的时候, 将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较, 取较小的值作为实际发送的窗口;
• 为了不增长的那么快, 不能使拥塞窗口单纯的加倍，需要设置慢启动的阈值；当拥塞窗口超过这个阈值的时候, 不再按照指数方式增长, 而是按照线性方式增长；
• 少量的丢包, 我们仅仅是触发超时重传; 大量的丢包, 我们就认为网络拥塞。当TCP通信开始后, 网络吞吐量会逐渐上升；随着网络发生拥堵, 吞吐量会立刻下降；
• 当TCP开始启动的时候, 慢启动阈值等于窗口最大值;在每次超时重发的时候, 慢启动阈值会变成原来的一半, 同时拥塞窗口置回1。

我们之前还了解了“滑动窗口”，那么窗口最终的的大小该如何选择呢？

• 最终窗口大小在“滑动窗口”和“拥塞窗口”中取最小值。

8.延迟应答

如果接收端主机立刻返回ACK应答, 这时候返回的窗口可能比较小。我们的目标是在保证网络不拥塞的情况下尽量提高传输效率;

延迟应答

• 比如接收缓冲区有1M，一次收到了600K的数据;；如果立刻应答, 返回的窗口就是400K；但实际上可能接收端10ms就把600K数据从缓冲区消费掉了；这样会发送很多次多余的ACK，造成效率降低、资源浪费。
• 在这种情况下, 接收端处理还远没有达到自己的极限, 即使窗口再放大一些, 也能处理过来；如果接收端稍微等一会再应答, 比如等待10ms再应答,数据从缓冲区消费掉之后缓冲区空,那么这个时候返回的窗口大小就是1M;

不是所有的包都可以延迟应答

• 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;

9.捎带应答

• 在延迟应答的基础上, 客户端服务器在应用层也是 “一发一收” 的。意味着客户端给服务器说了 “How are you”, 服务器也会给客户端回一个 “Fine, thank you”；那么这个时候ACK就可以搭顺风车, 和服务器回应的 “Fine, thank you” 一起回给客户端。

• 不仅ACK可以搭数据的“顺风车”，下图中FIN也是搭了ACK的“顺风车”。
  

10.面向字节流

创建一个TCP的socket, 同时会在内核中创建一个发送缓冲区和一个接收缓冲区；调用write时, 数据会先写入发送缓冲区中。

• 如果发送的字节数太长, 会被拆分成多个TCP的数据包发出;
• 如果发送的字节数太短, 就会先在缓冲区里等待, 等到缓冲区长度差不多了, 或者其他合适的时机发送出去;
• 接收数据的时候, 数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区;然后应用程序可以调用read从接收缓冲区拿数据;
• 另一方面, TCP的一个连接, 既有发送缓冲区, 也有接收缓冲区, 那么对于这一个连接, 既可以读数据, 也可以写数据. 这个概念叫做 全双工。

由于缓冲区的存在, TCP程序的读和写不需要一一匹配, 例如:

• 写100个字节数据时, 可以调用一次write写100个字节, 也可以调用100次write, 每次写一个字节。
• 读100个字节数据时, 也完全不需要考虑写的时候是怎么写的, 既可以一次read 100个字节, 也可以一次read一个字节, 重复100次。

11.粘包问题

• 粘包问题中的 “包” , 是指的应用层的数据包。
• 在TCP的协议报头中, 没有如同UDP一样的 “报文长度” 这样的字段, 但是有一个序号这样的字段。站在传输层的角度, TCP是一个一个报文过来的。按照序号排好序放在缓冲区中。
• 站在应用层的角度, 看到的只是一串连续的字节数据。那么应用程序看到了这么一连串的字节数据, 就不知道从哪个部分开始到哪个部分是一个完整的数据包。

解决：明确两个包之间的边界

• 对于定长的包, 保证每次都按固定大小读取即可; 例如上面的request结构, 是固定大小的, 那么就从缓冲区从头开始按sizeof(request)依次读取即可；
• 对于变长的包, 可以在包头的位置, 约定一个包总长度的字段, 从而就知道了包的结束位置；
• 对于变长的包, 还可以在包和包之间使用明确的分隔符(应用层协议, 是程序员自己来定的, 只要保证分隔符不和正文冲突即可)。

PS：UDP不存在“粘包问题”

• 对于UDP, 如果还没有上层交付数据, UDP的报文长度仍然在。同时, UDP是一个一个把数据交付给应用层。就有很明确的数据边界；
• 站在应用层的角度, 使用UDP的时候, 要么收到完整的UDP报文, 要么不收。不会出现"半个"的情况。

12.TCP异常情况

• 进程终止: 进程终止会释放文件描述符, 仍然可以发送FIN. 和正常关闭没有什么区别.
  机器重启: 和进程终止的情况相同.
• 机器掉电/网线断开: 接收端认为连接还在, 一旦接收端有写入操作, 接收端发现连接已经不在了, 就会进行reset。即使没有写入操作, TCP自己也内置了一个保活定时器, 会定期询问对方是否还在. 如果对方不在, 也会把连接释放。
• 另外, 应用层的某些协议, 也有一些这样的检测机制。在HTTP长连接中, 也会定期检测对方的状态。 例如QQ, 在QQ断线之后, 也会定期尝试重新连接。

13.TCP小结

为什么TCP这么复杂? 因为要保证可靠性, 同时又尽可能的提高性能.
可靠性:

• 校验和
• 序列号(按序到达)
• 确认应答
• 超时重发
• 连接管理
• 流量控制
• 拥塞控制

提高性能:

• 滑动窗口
• 快速重传
• 延迟应答
• 捎带应答

其他:

• 定时器(超时重传定时器, 保活定时器, TIME_WAIT定时器等)。
  超时重传定时器负责超时重传机制的定时；保活计时器负责极端条件下对连接的生存时间进行管理；TIME_WAIT定时器负责主动断开连接的一方保持TIME_WAIT状态的定时。

14.基于TCP应用层协议

HTTP；HTTPS；SSH；Telnet；FTP；SMTP等；
当然, 也包括你自己写TCP程序时自定义的应用层协议。

TCP/UDP对比

TCP是可靠连接, 那么是不是TCP一定就优于UDP呢? TCP和UDP之间的优点和缺点, 不能简单, 绝对的进行比较。

• 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;

TCP和UDP都是工具, 什么时机用, 具体怎么用, 要根据具体的需求场景去判定。