网络基础之 详解UDP与TCP（三次握手、四次挥手、确认应答、超时重传）

1.UDP（用户数据报协议）

UDP协议端格式：

• 在UDP传输的过程总，如果校验和出错，数据就会直接被丢弃。
• 16位UDP长度，表示整个数据报（UDP首部+UDP数据）的最大长度，也就是说，一个UDP能传输的数据最大长度是64K，而64k在当今或联网环境下，是非常小的一个数字，如果需要传输的数据超过64k，就需要在应用层手动分包，多次发送，并在接收端手动拼装。
• UDP没有真正意义上的发送缓冲区，调用sendto会直接交给内核，有内核将数据传给网络层协议进行后续的传输动作。
• UDP机油接收缓冲区，但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报的顺序和发送的UDP报的顺序是一致的；如果缓冲区满了，再到达的UDP数据就会被丢弃。

UDP的特点：

• 无连接：只需要直到对端的IP和端口号就直接进行传输，不需要简历连接
• 不可靠：没有确认机制，没有重传机制；如果因为网络故障，该段数据无法发送到对方，UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息
• 面向数据报：数据只能一整条一整条的向应用层交付，不能灵活的控制读写数据的次数和数量

UDP的socket既能读，也能写，即为全双工。

2.TCP（传输控制协议）

• 源端口与目的端口：分别表示数据从哪个进程来，要到哪个进程去；

• 32位序号与确认序号：确认应答机制中的序列号与确认序号；

• 4位TCP报头长度：解析时获取tcp头部，以4字节为单位（tcp头部最小20字节，最大60字节）

• 6位标志位：
  - URG：紧急指针是否有效
  - ACK: 确认号是否有效
  - PSH: 提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
  - RST: 对方要求重新建立连接; 把携带RST标识的称为复位报文段
  - SYN: 请求建立连接; 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, 称携带FIN标识的为结束报文段

• 16位窗口大小：实现滑动窗口，以及进行流量控制

• 16位校验和：发送端填充, CRC校验. 接收端校验不通过, 则认为数据有问题.（ 此处的检验和不光包含TCP首部, 也 包含TCP数据部分. )

• 16位紧急指针: 标识哪部分数据是紧急数据;

TCP的特点：

• 面向连接：连接管理机制
• 可靠传输：确认应答、超时重传等机制来保证
• 面向字节流

2.1 连接管理机制

正常情况下，TCP要经过三次握手来建立连接，四次挥手来断开连接：

在建立连接时的三次握手过程中：

• 第一次握手：建立连接时，客户端发送SYN包（syn=x）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；
  SYN包即为上文提到的：请求建立连接，携带SYN标识的数据报文段
• 第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
• 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。

在数据传输过程中，用到的就是确认应答机制：

简单理解为：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，即告诉发送者，现在已经收到了哪里的数据，下次从哪里开始发。

简单理解四次挥手断开连接的过程：

1. 第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
2. 第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
3. 第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
4. 第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

2.2 超时重传机制

超时重传可理解为：
主机A 发送一段数据给主机B，在一个特定的时间间隔内没有收到主机B 的确认应答，机会进行重发。

但是主机A未收到主机B发力啊的确认应答，也可能是因为ACK的丢失。。。。
在这种情况下，主机B就会收到很多重复的数据，搬TCP协议就需要识别出这些重复的包，并且将重复的包丢弃，此时利用序列号，就可能很好的达到去重的效果。

TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信，因此会动态计算一个最大超时时间。

• 操作系统会将超时时间以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。
• 如果重发一次以后，仍然得不到应答，将等待2*500ms后再进行重传
• 如果仍然得不到应答，等待4*500ms后进行重传，以此类推，以指数形式递增
• 类集到一定的重传次数，TCP认为网络或者对端主机出现异常，强制关闭连接

TCP的三次握手获取连接、四次挥手断开连接、确认应答与超时重传的机制很好的保证了TCP传输的可靠性。