传输层协议（一）——TCP和UDP

1. TCP和UDP的特点及应用

TCP提供了面向连接的可靠的字节流服务，而UDP提供了不连接不可靠的数据报服务。

1. UDP主要用在实时性要求高以及对质量相对较弱的地方，如流媒体；TCP既然是面向连接的，那么运行环境必然要求其保证可靠性，具有不可丢包、有良好的拥塞控制机制，如http ftp telnet。

2. TCP容易阻塞；UDP容易丢包。

3. TCP是保证质量不保证速度，UDP保证速度但不保证质量。

4. TCP耗系统资源多，UDP耗系统资源少。

2. TCP头部和UDP头部

2.1 TCP头部

上图显示了 TCP 数据段的布局结构，每一行为 32 位，即 4 个字节。
第一行是源端口（Source port）和目标端口（Destination port）信息。
第二行是序列号（Sequence number），表示此次发送数据的第一个字节的编号
第三行是确认号（Acknowledge number），表示下次想要接收数据的第一个字节的编
号。
第四行由几个部分组成，第一部分是 TCP 头长度（TCP header length），它占 4 位，
单位是“4 字节”，所以我们可以简单计算一下：2
4*4B=64B（其中有 20B 是 TCP 数据段
的头的固定长度，另外 44B 是可选项 Options）；第二部分是未使用的 4 位域；第三部
分是 8 个 1 位标志：CWR 和 ECE 用作拥塞控制的信号、URG 置 1 表示使用了紧急指针、
ACK 置 1 表示确认号字段是有效的、PSH 位表示这是带有 PUSH 标志的数据、RST 位被用
于重置一个已经混乱的连接(一般而言，如果得到的数据段被设置了 RST 位，那说明你这
一端有了问题)、SYN 被用于建立连接的过程、FIN 被用于释放一个连接；第四部分是窗
口大小（Window size），它表示这个 TCP 数据段发送方当前可用的缓冲区大小，表示
的是这一方的接收能力。
第五行由两部分组成：第一部分是校验和（Checksum），它校验的范围包括 TC2 区 P
数据段的头部、数据以及伪 TCP 头。

2.2 UDP头

如果UDP检验和与计算出来的检验和不匹配，那么这个UDP数据包将被直接丢弃。

3. TCP建立连接和断开连接

TCP建立连接的过程通常被人们称为“三次握手”，而断开连接的过程常被人们称为“四次挥手”。
TCP作为一种可靠传输协议，要保证数据可靠传输，而TCP的三次握手，就是为了获取到数据可靠传输的关键——ISN（initial sequence number，即初始序列号）。

ISN是一个32位的随机值
ISN = M + F(localhost, localport, remotehost, remoteport)
其中：
M是一个计时器，这个计时器每隔4毫秒加1。
F是一个Hash算法，根据源IP、目的IP、源端口、目的端口生成一个随机数值。

所以这个ISN几乎不可能重复。
在发送数据时，每一个segment都会基于ISN和偏移量生成自己的seq，而接受方根据seq来判断这个数据包是否合法。如果在建立tcp连接时，server端的ISN为Y，如果保证tcp连接是可靠的呢？
如果server收到client中ack=Y+1000，这就表示server发送的前999个数据包都已经被client接收，此时server需要发送序号为Y+1000的数据包；如果server发送了Y+1000的数据包，超过一定时间后，都没有收到client返回的ack=Y+1001，这就意味着client没有收到Y+1000的数据包，这时候就需要server对Y+1000数据包重传。通过ack来对已接收的包进行确认，可能做到丢包重传，保证了tcp连接中的可靠性。
此时，我们需要做的就是如何在使通信双方知道对方的ISN。这也是为什么我们在建立连接时需要“三次握手”的原因。

3.1 三次握手

三次握手的意思就是在建立一个tcp连接时，client和server之间需要传输三个数据包

在上图中我以①·②·③来表示这三个数据包

1. client向server发起tcp连接请求，发送数据包①-1，SYN=1, seq=X，这里的X是client的ISN；
2. 然后server在收到这个数据包之后，向client返回②-1，ACK=1, ack=X+1，表明server已经收到了数据包①-1，也就是告诉client，server已经获取到了client的ISN；
3. 同时，server的状态由listen变为了SYN-RECEIVED，这时，server会向client发送②-2SYN=1, seq=Y，这里的Y是server的ISN；
4. 当client收到server的ack信号时，状态就已经变为了创建成功；
5. 当client收到server的②-2后，会向server发送③-1，告诉server，client已经获取到了server的ISN；
6. 当server收到client的ack信号时，状态变为创建成功。

所以，其实“三次握手”并不准确这个手法并不准确，我们可以发现，在建立连接时，其实存在四个动作，分别对应着上图的①-1，②-1，②-2，③-1四个数据包。但是，往往②-1和②-2会合并成一个数据包由server返回给client，这个合并的行为我们将其称为捎带。

不同情况下丢包的处理措施：

1. 当①-1丢包时，导致server收不到①-1，所以client收不到server的ack信号，一段时间后client会重发①-1；
2. 当server返回的②（包括②-1和②-2）丢包时，，因为②丢包会导致client收不到server的ack信号，所以虽然server收到了client发送的①-1数据包，但是client在一段时间后也有可能重发①-1；并且client也不能向server发出②的ack信号，server在一段时间后重发②；
3. 当③-1丢包时，server收不到client的ack信号，一段时间后重发②。

3.2 四次挥手

我们知道，tcp连接是双向的，既可以是client向server发送数据包，也可以是server向client发送数据包。每两次挥手，意味着关闭某一个方向的数据传输。这样是为了保证双方的数据都能发送完并且被成功接收。