初识网络协议：UDP和TCP

Posted 2020-11-28 74percent

TCP和UDP是网络协议里面传输层的协议，也是非常重要的两个协议。至于什么是传输层，看下面这张图。

那么这两个协议有什么区别呢？

1. TCP是面向连接的，UDP是面向无连接的，TCP需要三次握手，四次挥手，UDP不要。

2. TCP提供可靠交付，通过TCP连接传输的数据，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。而UDP不保证不丢失，不保证按序到达。

3. TCP是面向字节流的，而UDP是基于数据报的。

4. TCP是可以拥有拥塞控制的，UDP没有。

5. TCP是有有状态服务，精确记着发送了没有，接收了没有，发送到哪个了，应该接收哪个了，是无错的。而UDP则是无状态服务。

网络包发出到达目标机器后，发现MAC地址匹配，就把MAC头取下来，将剩下的包传给处理IP层的代码。把IP头取下来，发现目标IP匹配。IP头里面还有个8位协议，里面会存放数据的协议，到底是TCP还是UDP。于是，如果我们知道UDP或者TCP头的格式，就可以从数据里面将它解析出来。

IP数据报：

UDP头：

端口号表示发送进程和接收进程，因为是两端通信，所以有一个源端口号，一个目的端口号。发出去的包最终还是要回来的，不然就丢包了。这个端口号是用来区分应用程序的，很好理解。

UDP长度字段指的是UDP首部和UDP数据的字节长度，该字段的最小值为8字节（发送一份0字节的UDP数据报是OK的）。这个UDP长度是有冗余的。IP数据报长度指的是数据报全长（该值在IP数据报总长度指定），因此UDP数据报长度是全长减去IP首部的长度（该值在IP数据报首部长度字段指定）。

UDP校验和覆盖UDP首部和UDP数据。IP首部的校验和只覆盖IP的首部，而不覆盖IP数据报中的任何数据。TCP和UDP在首部都有覆盖它们首部和数据的校验和，UDP的校验和是可选的，而TCP的校验和是必需的。

TCP头：

首先，源端口号和目标端口号是必不可少的，这一点和UDP一样。如果没有这两个端口号，就不知道要把数据发给哪个应用。

序号是用来标识从TCP发送端向TCP接收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则TCP用序号对每个字节进行计数。序号是32bit的无符号数，从0开始到2^32 - 1后又从0开始。

当建立一个新的连接时，SYN标志变1。序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始序号ISN（Initial Sequence Number）。该主机要发送数据的第一个字节序号为这个ISN加1，因为SYN标志消耗了一个序号（终止连接时，FIN标志也要占用一个序号）。

既然每个传输的字节都被计数，确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。因此，确认序号应当是上次已成功收到的数据字节序号加1。只有ACK标志为1时确认序号字段才有效。

发送ACK无需任何代价，因为32bit的确认序号字段和ACK标志一样，总是TCP首部的一部分。因此，一旦一个连接建立起来，这个字段总是被设置，ACK标志也总是被设置为1。

首部长度给出首部中32bit字的数目，占4位，单位是32位字，所以首部最大值为60字节（（2^4 - 1） * 32 / 8 = 60）。然而没有任选字段，正常长度是20字节（32 * 5 / 8 = 20）。

在TCP首部中有6个标志比特，它们中的多个可同时被设置为 1。我们在这儿简单介绍它们的用法。

URG 紧急指针（urgent pointer）有效。

ACK 确认序号有效。

PSH 接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。

RST 重建连接。

SYN 同步序号用来发起一个连接。这个标志和下一个标志将在第 1 8章介绍。

FIN 发端完成发送任务。

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。窗口大小是一个16bit字段，最大为65535。

校验和覆盖了整个的TCP报文段：TCP首部和TCP数据。这是一个强制性的字段，一定是由发送端计算和存储，并由接收端进行校验。

只有当URG标志置1时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。

最常见的可选字段是最长报文大小，又称为MSS(Maximum Segment Size)。每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置SYN标志的那个段）中指明这个选项。它指明本端所能接收的最大长度的报文段。

三次握手：

1. 客户端发送一个SYN段指明客户打算连接的服务器的端口，以及初始序号（ISN）x。

2. 服务器发回包含服务器的初始序号y的SYN报文段作为应答。同时，将确认序号设置为客户端的ISN加1（x + 1）以对客户端的SYN报文段进行确认。一个SYN将占用一个序号。

3. 客户端必须将确认序号设置为服务器的ISN加1（y + 1）以对服务器的SYN报文段进行确认。

三次握手后，建立TCP连接，就可以传输数据了。建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接需要四次挥手。

四次挥手：

1. 首先进行关闭的一方（即发送第一个FIN）将执行主动关闭，而另一方（收到这个FIN）将执行被动关闭。

2. 主动关闭方发起终止连接，它将导致TCP客户端发送一个FIN以及序号p。

3. 当服务器收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。同时TCP服务器还向应用程序传一个文件结束符，接着这个服务器程序就会关闭它的连接，导致它向客户端发送一个FIN，客户端必须返回一个ACK，并且确认序号设置为收到的序号加1。

当客户端收到服务器的第一个ACK时，会进入FIN-WAIT2状态，可如果服务器挂了，不能再同时发送一个FIN，那么客户端将永远在这个状态。TCP协议里面没有对这个状态的处理，但Linux里面有，可以调整tcp_fin_timeout这个参数，设置一个超时时间。

如果服务器没有挂，发送了FIN到达客户端，客户端收到FIN后会发送ACK给服务器。在这里为了保证服务端能收到ACK，在客户端发送ACK后让其处在TIME-WAIT状态，为的是等待足够长的时间。这样假如服务器没有收到ACK，会重发FIN，客户端收到FIN后也会重发ACK。等待时间设为2MSL（Maximum Segment Lifetime），报文最大生存时间，它是任何报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。因为TCP报文是基于IP协议的，而IP头中有一个TTL域，是IP数据报可以经过的最大路有数，每经过一个处理它的路由器此值就减1，当此值为0则数据报将被丢弃，同时ICMP报文通知源主机。协议规定MSL为2分钟，实际应用中常用的是30秒，1分钟和2分钟等。

TCP状态机：

TCP和UDP的使用场景：

从上文可以看出来TCP比UDP复杂得许多，这样也导致它的性能开销远大于UDP。而TCP是面向连接的，有各种机制保证其准确性。

所以UDP适用于对速度有要求而对精准性要求不高的应用，如即时通讯、在线视频、网络直播等。

TCP适用于对速度没有太大要求，但对精准性有较高要求的。如文件传输、发送接收邮件、远程登录等。

 

参考资料：《趣谈网络协议》、《TCP-IP详解卷一：协议》