计算机网络 --- TCP与UDP协议

UDP协议

• UDP是无连接通信协议，即在数据传输时，数据的发送端和接收端不建立逻辑连接。
• 也就是当一台计算机向另外一台计算机发送数据时，发送端不会确认接收端是否存在，就会发出数据，同样接收端在收到数据时，也不会向发送端反馈是否收到数据
• 由于使用UDP协议消耗资源小，通信效率高，所以通常都会用于音频、视频和普通数据的传输例如视频会议都使用UDP协议，因为这种情况即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响

• UDP协议的Header包括四个字段： 1. 源端口 2. 目的端口 3. 长度 4. 校验码

• 源端口: 可选字段，表示发送方进程的端口，接收方可根据此字段（不一定准确）发送信息
• 目的端口: 目的端口是数据接收方的端口号，它只在目标的IP地址下才有效
• 长度: 长度是协议头和数据报中数据长度的总和，表示整个数据报的大小
• 校验码: 校验码使用 IP 首部、UDP 首部和数据报中的数据进行计算，接收方可以通过校验码验证数据的准确性，发现传输过程中出现的问题

TCP协议

• TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议. TCP协议建立的是一种点到点的，一对一的可靠连接，与UDP相比以牺牲效率为代价换取高可靠性的服务
• 无差错, 不丢失，不重复， 数据有序
• TCP是双工的协议，会话的双方都可以同时接收、发送数据
• TCP可以接收来自多个应用程序的数据流，用端口号标识他们，然后把他们送给Internet层处理；同时TCP接收来自Internet层的数据包，用端口号区分他们，然后交给不同的应用程序。（UDP同理)
• TCP 报文格式：
  

序号(seq)

• 长度为四个字节 [0, 4294967295]
• TCP数据是字节流，每个字节都有唯一的序号
• 起始序号在建立TCP连接的时候设置
• 序号表示本报文段数据的第一个字节的序号

确认号 (ack)

• 长度为四个字节 [0, 4294967295]
• 期待收到对方下一个报文的第一个数据字节序号
• 也就是如果确认号= N, 则序号N-1为止的所有数据都已经正确收到

控制位: 总共六个比特位

• URG: Urgent, URG = 1，表示紧急数据
  > ACK：Acknowledgment，确认位，ACK = 1时确认号才生效*
• PSH：Push推送位，PSH=1，尽快地把数据交付给应用层
• RST：Reset重置位，RST= 1，重新建立连接
  > SYN：Synchronization：同步位， SYN=1 表示这是一个连接请求报文*
  > FIN： Finish：终止位，FIN=1 表示释放连接*

窗口

• 长度为两个字节 [0, 65535]
• 窗口指明允许对方发送的数据量
• 因为数据缓冲空间有限, 不能无线缓存数据

TCP建立连接的三次握手

• 第一次: SYN = 1, 请求连接，并告诉对方自己的序列号
• 第二次: SYN = 1, ACK=1，确认对方数据并告诉对方自己的数据序列号
• 第三次: ACK = 1, 确认了对方的数据并开始传输数据

为什么不能是两次握手

• 如下图, 如果发起方的第一次连接请求迟迟没有得到回应，则会发出第二个请求
• 如果是两次握手， 则会建立两个连接，造成资源浪费和错误
• 三次握手可以保证发起方忽略第二个应答
  

TCP连接释放的四次挥手

• 第一次：FIN=1，seq=u 主动请求中断连接
• 第二次：ACK=1， ack=u+1， 表示确认收到中断报文，并发出最后需要发送的数据
• 第三次：FIN=1，ACK=1，seq=w, ack = u+1,请求中断连接
• 第四次：ACK=1，seq=u+1，ack=w+1 确认中断连接

TIME-WAIT状态

• TIME-WAIT状态发生在第四次挥手之后，主动发尚未完全关闭TCP连接，端口不可复用
• TIME-WAIT状态一般持续2MSL(四分钟), MSL为Max Segment Lifetime，最长报文段寿命，一般为两分钟

• 因为最后一个报文是不会收到确认的，所以为了确定报文一定到达对方，需要一个等待时间。在2MSL的时间内，如果对方没有收到，则会重新进行第三次挥手。
• 同时确保之前的所有报文已经过期

TCP的可靠传输 – 滑动窗口

• 因为需要保证可靠性，所以TCP协议需要接收方对每个收到的包进行ACK确认，而接收方只有收到上一个包对应的ACK包，才能继续发送下一个包
• 但是这样效率就会非常低，传输N个包就需要等待N次应答时间，总的传输时间=N份传输时间+N份应答传输时间
• 而滑动窗口协议可以解决这个问题，达到批量传输

发送窗口

• 滑动窗口 分为 发送窗口 和 接收窗口. 客户端和服务器端 都有一个 发送窗口 和 接收窗口
• 发送窗口实际存在于操作系统中，是一块缓冲区，用来存放当前需要发送的数据。本质是一个循环数组的实现。利用三个指针来维护相关的区域。
• “发送窗口”的大小取决于对端通告的“接收窗口”
• 应用层发送数据，就是往缓冲区中写入数据。收到ACK后，就相当于从缓冲区中移除数据，不过并不会真正移除数据，只需要后移对应的指针就可以了
• 应用层会将数据写入到缓冲区中，当超过缓冲区的最大地址后，就循环利用头部，覆盖头部的数据
  
• 如果这个时候接收一个ack包为37，这个时候发送窗口会向右边移动5位，52-56会变成可用窗口
• 如果发送方发出了ack37的包，意思是下一个需要接收的包是37，也就是37之前的数据全部接收到，即使没有收到ack32-36
  

滑动窗口如何处理丢包

• ACK丢包：
• 如下图，1001这个ACK丢了，但是2001ACK却已经发送给主机A，说明1-1000这个数据也顺利到达，1001ACK丢了无所谓，只要当前序号开始，就说明之前的数据已经正确传输到达主机B
  

数据包丢包

• 如下图1001-2000数据包丢了，而2001-3000,3001-4000都顺利到达
• 此时主机B反馈的ACK确认序号始终是1001，主机A如果发现主机B连续发送ACK都是1001，主机A就明白1001-2000这个数据丢包，就会重新传送
• 当主机B重新收到丢失的1001-2000数据后，直接返回ACK4001，因为2001-4000已经接受过（都在缓冲区等待），接下来ACK直接从4001开始。
  

TCP窗口的拥塞处理

• TCP首部中有一个窗口字段（接收窗口的大小），接受方和发送方通过这个字段，告诉对方一次能够发送多少数据
• 当服务器忙于处理从多个客户端接收的报文， 服务器很有可能因为清理缓存而变得缓慢，无法腾出空间接收新的数据，如果没有流控，则可能会造成丢包和数据损坏。
• 所以当接收窗口所设定的速率无法使服务器 正常处理数据时，接收方会调整接收窗口大小。通过减小返回给发送端的ACK报文的TCP头窗口大小值来实现

• 下图中，服务器初始窗口大小为5000字节。客户端发送2000字节，之后又发送了2000字节，缓冲区中只有1000字节可用。服务器意识到缓冲区正在快速填满，它知道如果数据继续以此速率传输，很快会有报文丢失。为了防止报文丢失，服务器发送确认信息给客户端，更新窗口大小为1000字节。结果，客户端减少数据发送，服务器以可以接受的速率处理缓存内容，即保持数据流以稳定的速率传输。
• 调整窗口大小在两个方向都是可行的。当服务器能够更加快速的处理报文时，它会发送一个较大窗口的ACK报文
  

• 某些情况下，服务器无法再处理从客户端发送的数据。可能是由于内存不足，处理能力不够，或其他原因。这可能会造成数据被丢弃以及传输暂停，但接收窗口能够帮助减小负面影响。
• 当上述情况发生时，服务器会发送窗口为0的报文。当客户端接收到此报文时，它会暂停所有数据传输，但会保持与服务器的连接以传输探测（keep-alive）报文。探测报文在客户端以稳定间隙发送，以查看服务器接收窗口状态。一旦服务器能够再次处理数据，将会返回非零值窗口大小，传输会恢复。下图示例了零窗口通知过程。
  

TCP的拥塞避免算法

主要包括

• 慢启动算法
• 拥塞避免算法
• 快重传算法
• 快恢复算法
• 详解: TCP的拥塞避免算法

如何理解TCP/IP协议是面向数据流的，而UDP协议是面向数据报

• TCP的报文为 segment. TCP是把数据看成一连串字节流，当应用层传下来的报文（message）太长了，TCP是会把报文切片的，所以TCP的segment的意思是说：我的segment可能是报文（message）的某一段.
• 通过TCP连接给另一端发送数据，你只调用了一次write， 发送了100个字节，但是对方可以分10次收完，每次10个字节；你也可以调用10次write，每次10个字节，但是对方可以一次就收完.
  

• UDP的报文是datagram. UDP对应用层交下来的报文，不合并，不拆分，只是在其上面加上首部后就交给了下面的网络层. 而对接收方，接到后直接去除首部，交给上面的应用层就完成任务.
• UDP的发送端调用了几次write，接收端必须用相同次数的read读完。UDP是基于报文的，在接收的时候，每次最多只能读取一个报文，报文和 报文是不会合并的，如果缓冲区小于报文长度，则多出的部分会被丢弃.

TCP的安全 — SYN flood攻击

• 这是一种利用TCP协议缺陷，发送大量伪造的TCP连接请求，使被攻击方资源耗尽（CPU满负荷或内存不足）的攻击方式
• 利用TCP三次握手的缺陷, 对服务器发送伪造大量的假TCP连接请求, 此时服务器会回复ACK确认报文, 然后等待攻击方第三次握手, 而攻击方忽略ACK确认报文, 一直不回复. 服务器会一直重发直至超时. 这些伪造的SYN包将长时间占用未连接队列，其他客户的正常的SYN请求不能被接收，目标系统运行缓慢，造成网络拥堵