计算机网络教程-传输层（十四）UDP协议、TCP协议【上】

传输层协议通常有很多责任。一个是创建进程到进程通信；这些协议使用端口号来完成这项责任。

一、UDP

        用户数据报协议（ User Datagram Protocol， UDP）是无连接不可靠传输层协议。它不提供主机到主机通信，它除了提供进程到进程之间的通信之外，就没有给 IP 服务增加任何东西。此外，它进行非常有限的差错检验。

1.用户数据报

        UDP 分组称为用户数据报（ user datagram），有 8 字节的固定头部，这个头部由 4 个字段组成，每个字段 2 字节（ 16 位）。下图说明了用户数据报的格式。头两个字段定义了源和目的端口号。第三个字段定义了用户数据报的总长，即头部加数据的长度。 16 位可以定义的总长度范围是 0 到 65 535。然而，总长度需要更小一些，这是因为 UDP数据报存储在总长度为 65 535 的 IP 数据报中。最后一个字段可以携带可选校验和

UDP头部实例：CB84000D001C001C

• 源端口号是头 4 位十六进制数字（ CB84） 16，这意味着源端口号是 52100。
• 目的端口号是第二组 4 位十六进制数字（ 000D） 16，这意味着目的端口号是 13。
• 第三组 4 位十六进制数字（ 001C） 16定义了整个 UDP 分组的长度，长度为 28 字节。
• 数据的长度是整个分组长度减去头部长度，即 28-8 = 20 字节。
• 由于目的端口号是 13（熟知端口号），分组是从客户发送到服务器。
• 客户进程是 Daytime

2.UDP提供的服务

• 进程到进程的通信：使用套接字
• 无连接服务
• 流量控制：没有流量控制
• 差错控制：没有差错控制
• 校验和：UDP 校验和包含三部分：伪头部、 UDP 头部和从应用层来的数据，校验和的问题后续在讨论。
  
• 拥塞控制：不提供拥塞控制
• 封装和解封装：需要封装与解封
• 多路复用与多路分解：一个主机上可能有多个使用UDP协议的进程，所以有多路复用与多路分解。

二、tcp

        传输控制协议（ Transmission Control Protocol， TCP）是一个面向连接可靠的协议。 TCP 显式定义了连接建立、数据传输以及连接拆除阶段来提供面向连接服务。 TCP 使用 GBN 和 SR 协议的组合来提供可靠性。为了实现这个目的， TCP 使用校验和（为差错发现）、丢失或被破坏分组重传、累积和选择确认以及计时器。

1.tcp协议提供的服务

• 进程到进程的通信
• 流传递服务：IP 层作为 TCP 服务的提供者，需要以分组的方式而不是字节流的方式发送数据。在传输层， TCP 将多个字节组合在一起成为一个分组，这个分组称为段（ segment）。 TCP 给每个段添加头部（为了达到控制目的），并将该段传递给 IP 层。段被封装到 IP 数据报中，然后再进行传输。
  
• 全双工通信
• 多路复用和多路分解
• 面向连接的服务
• 可靠的服务

2.tcp协议的特点

        序号系统：虽然 TCP 软件能够记录发送或接收的段，但是在段的头部没有段序号字段。TCP 在段的头部采用称为序号（ sequence number）和确认号（ acknowledgment number）的两个字段。这两个字段指的是字节序号，而不是段序号。TCP 为在一个连接中传输的所有数据字节（八位字节）编号。在每个方向上序号都是独立的。当 TCP 接收来自进程的一些数据字节时， TCP 将它们存储在发送缓冲区中并给它们编号。TCP 在 0 到 232-1 之间生成一个随机数作为第一个字节的序号，例如，如果随机数是1057，并且发送的全部字节个数是 6000，那么这些字节序号是 1057~7056。字节被编号后， TCP 对发送的每一个段分配一个序号。在每一个方向上的序号定义如下：

1. 第一段的序号是初始序号（ initial sequence number， ISN），这是一个随机数。
2. 其他段的序号是之前段的序号加之前段携带的字节数（实际上的或想象的）。之后，我们将给出一些控制段，它们被认为携带了一个想象字节。

        确认号： TCP 中的通信是全双工的；当建立一个连接时，双方同时都能发送和接收数据。每一方为字节编号，每一方经常使用不同的起始字节号。每一方向的序号表明了该段所携带的第一个字节的序号。每一方也使用确认号来确认它已收到的字节。但是，确认号定义了该方预期接收的下一个字节的序号。另外，确认号是累积的，这意味着接收方记下它已安全而且完整地接
收到最后一个字节的序号，然后将它加 1，并将这个结果作为确认号进行通告。

3.段

TCP的分组，称为段。

格式

• 源端口地址。这是一个 16 位的字段，它定义了在主机中发送该段的应用程序的端口号。这与 UDP 头部的源端口地址的作用一样。
• 目的端口地址。 这是一个 16 位的字段，它定义了在主机中接收该段的应用程序的端口号。这与 UDP 头部的目的端口地址的作用一样。
• 序号。这个 32 位的字段定义了一个数，它分配给段中数据的第一个字节。如前所述， TCP 是一种字节流传输协议。为了确保连通性，对要发送的每一个字节都进行编号。序号告诉目的端，在这个序列中哪一个字节是该段的第一个字节。在连接建立时，每一方都使用随机数生成器产生一个初始序号（ initial sequence number， ISN），通常每一个方向的 ISN 都不同。
• 确认号。这个 32 位的字段定义了段的接收方期望从对方接收的字节号。如果段的接收方成功地接收了对方发来的字节号 x，它就将确认号定义为 x + 1，确认和数据可捎带一起发送。
• 头部长度。这个 4 位的字段指明了 TCP 头部中共有多少个 4 字节长的字。头部的长度可以在 20 字节到 60 字节之间。因此，这个字段的值在 5（ 5 × 4 = 20）到 15（ 15 × 4 = 60）之间。
• 控制字段

• 窗口大小：这个字段定义对方必须维持的窗口的大小（以字节为单位）。注意，这个字段的长度是 16 位，这意味着窗口的最大长度是 65 535 字节。这个值通常称为接收窗口（ rwnd），它由接收方确定。此时，发送方必须服从接收端的支配。
  
• 校验和：这个 16 位的字段包含了校验和。 TCP 校验和的计算过程与前面描述的 UDP 所采用的计算过程相同。但是，在 UDP 数据报中校验和是可选的。然而，对 TCP 来说，将校验和包含进去是强制的。起相同作用的伪头部被加到段上
  
• 紧急指示符
• 选项

4.tcp连接

连接建立：三次握手

        该过程从服务器开始。服务器程序告诉它的 TCP，它已准备好接收一个连接。这就称为被动打开（ passive open）。虽然 TCP 已经准备好接收从世界上任何一个机器发来的连接，但它自己并不能完成这个连接。客户程序发出请求进行主动打开（ active open）。想要与服务器进行连接的客户告诉它的 TCP，它需要连接到特定的服务器。

1. 客户发送的第一个段是 SYN 段。这个段仅有 SYN 标志被置位，它用于序号同步。它占用一个序号。当数据传输开始时，在我们的例子中，客户随机选择一个数字作为初始序号（ ISN）。注意，这个段不包含确认号。它也没有定义窗口大小；窗口大小的定义只有当段包含确认号时才有意义。 SYN段不携带数据，但他占一个序列号。
2. 服务器发送第二个段，两个标志位 SYN 和 ACK 置位的段，即 SYN +ACK 段。这个段有两个目的。首先，它是另一方向通信的 SYN 段。服务器使用这个段来初始化序号，这个序号用来给从服务器发向客户的字节编号。服务器也通过给 ACK 置位并展示下一个序号来确认接收到来自客户的 SYN 段，这里的下一个序号是服务器预期从客户接收的序号。我们将在介绍流量控制那一节看到，因为它包含确认，它也需要定义接收窗口，即 rwnd（客户使用）。因为这个段起到 SYN段的作用，它需要被确认。因此，它占用一个序号。 SYN + ACK 段不携带数据，但它占用一个序号。
3. 客户发送第三个段。这个段仅仅是一个 ACK 段。它使用 ACK 标志和确认序号字段来确认收到了第二个段。注意，如果不携带数据， ACK 段没有占用任何序号，但是一些实现允许这第三个段在连接阶段从客户端携带第一块数据。在这种情况下，段消耗的序号与数据字节数相同。ACK 段，如果不携带数据，则它不占用序号。
   

数据传输

        在连接建立后，客户端用两个段发送 2000 个字节的数据。然后，服务器用一个段发送 2 000 个字节的数据。客户端发送另一个段。前面三个段携带数据与确认，但是最后一个段仅携带确认，这是因为已没有数据发送了。注意序号与确认号数值，客户端发送的数据段有 PSH（推送）标志，所以服务器 TCP 知道在接收到数据时立刻传递给服务器进程。

连接终止

交换数据双方的任一方（客户或服务器）都可关闭连接，尽管通常情况下是由客户端发起。当前大多数对连接终止的实现有两个方法：三次握手和带有半关闭选项的四次握手。

• 三次握手

1. 在正常情况下，在客户进程接收到一个关闭命令后，客户的 TCP 发送第一个段： FIN 段，即其中的 FIN 标志置位。注意， FIN 段可包含客户机要发送的最后数据块，或如下图所示的只是控制段。如果它只是控制段，它仅占有一个序号因为它需要被确认。如果 FIN 段不携带数据，则该段占用一个序号。
   
2. 服务器 TCP 接收到 FIN 段后，通知它的进程，并发送第二个段： FIN + ACK 段，证实它接收到来自客户端的 FIN 段，同时通告另一端连接关闭。这个段还可以包含来自服务器的最后数据块。如果它不携带数据，则这个段仅占用一个序号。如果 FIN + ACK 段没有携带数据，则该段仅占用一个序号。
3. 客户端的 TCP 发送最后一段，即 ACK 段，来证实它接收到来自服务器的 FIN 段。这个段包含确认号，它是来自服务器的 FIN 段的序号加 1。这个段不携带数据也不占用序号。

• 半关闭

在 TCP 中，一端可以停止发送数据后，还可以接续接收数据。这就是所谓的半关闭（ half-close）。虽然任一端都可发出半关闭，但通常都是由客户端发起的。当服务器在开始处理之前需要接收到所有数据，这时就会出现半关闭。

        从客户到服务器的数据传输停止。客户端通过发送 FIN 段实现半关闭连接。服务器通过发送ACK 段确认半关闭。然而，服务器还可以发送数据。当服务器已经发送完被处理的数据时，它发 送一个 FIN 段。该 FIN 段由客户端的 ACK 来确认。连接半关闭后，数据可以从服务器传送给客户端，而确认可以从客户端传送给服务器。客户不能再向服务器发送任何数据。

5.TCP协议的有限状态机

状态表如下

        圆角矩形代表状态。从一个状态到另一个状态的转换使用直线表示。每条线有两个字符串，它们用斜线分隔。第一个字符串是输入，即 TCP 所接收的内容。第二个字符串是输出，即 TCP 所发送的内容。图中虚线代表服务器通常经历的转换；黑色实线给出客户通常经历的转换。然而，在某种情况下，服务器沿着实线进行状态转换，客户沿着虚线进行状态转换。灰色线给出特殊情况。注意，被标记为 ESTABLISHED 的圆角矩形实际上是两种状态，一个是客户状态，另一个是服务器状态。
一个半关闭连接的场景图

        客户进程向它的 TCP 发出主动打开命令来请求连接到特定套接字地址。 TCP 发送一个 SYN 段并转移到 SYN-SENT 状态。在收到 SYN + ACK 段后，TCP 发送了一个 ACK 段并且进入 ESTABLISHED状态。数据被传输，可能是双向的，并且被确认。当客户进程没有数据要发送了，它发出称为主动关闭的命令。 TCP 发送 FIN 段并进入 FIN-WAIT-1 状态。当它接收到 ACK 段，它进入 FIN-WAIT-2 状态。当客户接收到 FIN 段时，它发送一个 ACK 段并进入 TIME-WAIT 状态。客户保持这种状态 2MSL秒。当相应计时器超时，客户进入 CLOSED 状态。
        服务器进程发出被动打开命令。服务器 TCP 进入 LISTEN 状态并且保持这种状态直到它接收到一个 SYN 段。 TCP 之后发送一个 SYN + ACK 段并且进入 SYN-RCVD 状态，等待客户发送 ACK段。在接收到 ACK 段后， TCP 进入 ESTABLISHED 状态，这就开始了数据传输。 TCP 保持这种状态直到它接收到一个来自客户的 FIN 段，这表示没有其他数据要被交换且连接可以被关闭。一旦服务器接收到 FIN 段，那么它就向客户发送带有虚拟 EOF 标记的排队中所有的数据，这意味连接必须被关闭。它发送一个 ACK 段且进入 CLOSE-WAIT 状态，但是推迟确认来自客户的 FIN 段，直到它接收到来自进程的被动关闭命令。在接收到被动关闭命令后，服务器向客户发送 FIN 段并进入 LAST-ACK 状态，等待最终 ACK。当 ACK 段被从客户接收，服务器进入 CLOSE 状态。