面试题【网络收发数据与缓存大小不匹配问题，TCP/UDP分析】

—————-此篇文章 比较基础——————

题目

前提： 发送方一次发送20M数据，接受缓存4K；
讨论： TCP 和 UDP 协议下 ，发送方、接收方现象，并解释原因。

先回答问题：

TCP协议：
发送方能发出去，接受方能接收到数据， 每次接收大小为4K，可循环接收；
【 相关函数： send recv】

UDP协议：
发送方发送失败返回-1，接受方自然没收到数据；【 相关函数： sendto recvfrom】

解释原因：
首先， 需要知道TCP和UDP最基本的区别： TCP 基于字节流、UDP 基于数据报；

——————————-先分析UDP协议——————————-

UDP是数据报，严格定界符，不可分割， 所以当使用sendto函数，
数据大小 （= 数据长+UDP头+IP头 ）> 65535（最大报文长度） 就直接返回-1，发送失败；
那么这个公式是怎么来的呢？首先我们看一下IP头部结构：

再看一下UDP头部结构：

UDP头中有一个字段是UDP长度占16位，理论上最大能表示的数字就是2^16 = 65535！ 这个数值描述的是 封装上UDP头后的报文长度。

再看IP头，IP报文数据报总长也是16位即65535。
故而，使用UDP协议数据报最大长度 = 65535 - 20（IP头）-8（UDP头） = 65507
可使用sendto函数检验，当 数据的长度 参数填写数值大于65507时直接返回-1。

以前学习的时候并没有注意过着点， 现在发现在互动百科中早有所注

分析完发送端，再说说接收端。此时我们把20M的数据分割成6K大小的数据包，发送端现在可以发送了。

接收缓冲区只有4K显然小于发送的6K数据， 那么那么会出现什么现象呢？
接收缓冲区能够接收到4K的有效数据，不能够循环接收；

解释这里需要先知道这个概念：

IO操作在内核中分2步：
1. 数据准备阶段
2. 数据准备完，将数据从内核空间拷贝到用户空间。

假设我们使用recvfrom 函数，此时线程会处于阻塞状态，一直等到步骤1，2完成后返回。当数据准备完成，内核将数据从内核空间拷贝到用户空间；

UDP 与TCP 又有一点不同的是： TCP有接收缓存，而UDP没有；
因为IO机制定是一样的，所以UDP无法循环接收，TCP可以，推测是因为此原因。 没有深入，不敢断言。

——————————-再析TCP协议——————————-

TCP传输的实质，是流式传输，就是不管你发送的时候是一次发送多少，TCP的底层处理，都是一个字节一个字节按流发送的。
发送端： 可以正常发送出去；
接收端：能接收到4K数据， 可循环接收；

我们不能只回答个 “因为他是流式传输”，当然还有协议层面的原因。

先知道两个概念：

1. 最大传输单元MTU：是数据链路层中的网络对数据帧的一个限制，以以太网为例，MTU为1500字节，一个IP数据报在以太网中传输，如果它的长度大于MTU的值，就要进行分片传输，使得每片数据报的长度小于MTU。分片传输的IP数据报不一定按序到达，但IP首部中的 信息【下面详解】能让这些数据报片按序组装。IP数据报的分片与重组是在网络层中完成的。

在IP头中有三个字段： 分组ID(16位)，标志(3位)、段偏移量(13位)；
分组ID：唯一标识一个数据报，可以将之当成一个计数器，每发送一个数据包，该值就+1，如果数据报分片，则每个分片的ID都相同，各个分片共享一个标识号。
标志：

1. bit0 不使用；
2. bit1：DF（不分片），若该位为1，并且传输的数据报超过MTU，则该数据报会被丢弃，并发送一个ICMP差错报文；
3. bit2：MF（more fragment 更多分片），如果该位为1，则说明后续还有分片，最后一片MF为0；

段偏移量：指出该分段的第一个数据字节在原始数据报中的偏移位置（以8字节为单位），IP分片后每一个分组都具有自己的首部，而且标志位相同，但是片偏移值不同，通过片偏移值接收端可以重新组装IP包；

2. 最大报文段长度MSS：TCP协议中的概念。MSS是TCP数据包每次能够传输的最大数据分段，TCP报文段大于MSS时要分段。该值在建立链接时进行协商，MSS选项只出现在SYN报文段中，即TCP三次握手的前两次。

MSS的值一般为：MTU-IP头-TCP头。若链路层用以太网（MTU= 1500），MSS的值通常为： 1500 - 20 - 20 = 1460。而Internet上标准的MTU为576，那么默认的MSS为 576 - 20-20 = 536个字节。很多时候，MSS的值最好为512的倍数。TCP报文段的分段与重组是在传输层完成的。

到此小结一下：TCP分段的原因是MSS，IP分片的原因是MTU。因为MSS<= MTU，所以分段后的每一段TCP报文再加上IP头后不会超过MTU。因此TCP报文很少发生IP分片的情况。
再来看UDP，由于UDP不会自己分段，因此报文长度>MTU，会在网络层进行IP分片。

这块再单拎出来一个问题：
既然IP层已经对UDP报文分片了，那么为什么UDP报文不能超过65507呢？
这是因为IP头中的段偏移值！再看一遍段偏移的含义：

段偏移量（13位）：指出该分段的第一个数据字节在原始数据报中的偏移位置（以8字节为单位），IP分片后每一个分组都具有自己的首部，而且标志位相同，但是片偏移值不同，通过片偏移值接收端可以重新组装IP包；

因为 段偏移13位， 最多能表式 2^13 = 8192 个单位，每个单位是8个字节，
则最多能偏移的字节数 = 8192 * 8 - 1 = 65536 -1 = 65535。
因此IP层即使对上层数据进行分片， 最多也就能偏移65535个字节的数据。

总结：
UDP报文是数据报，自己本身没有分段。在应用层最多一次能发送65507大小的数据，在网络层的IP分片也无法表示更多的量级（由于段偏移量的控制）。

TCP协议自己就有MSS控制来进行分段了，在应用层一次发送的大小没有什么限制， TCP有发送和接受缓存。把待发数据放到发送缓存中，TCP自己把数据进行分段，数据到网络层一般也不需要分片，就继续下传了。