【计算机网络】——详解传输层TCP/UDP

1.传输层：

  功能：负责数据能够从发送端传输连接端。

       （1） 端口号：找到应用程序；

       （2） 端口号取值范围：0-65535；

       （3） 分类：知名端口号：0-1023   如FTP——21；SSH——22；Telnet——23；Http——80；Https——443；DNS——53；

                           操作系统动态分配的端口号：1024-6535    如客户端程序的端口号；

（1）一个进程（程序）是否可以绑定多个端口号？

         可以。

（2）一个端口号是否可以被多个程序使用吗？

         不可以。

2.UDP协议

 （1）UDP协议端格式  ——8个字节：

16位源端口号	16位目标端口号
16位UDP长度	16位UDP校验和
数据

（2）校验和：用来确定数据在传输的过程中是否被篡改，即判断数据的正确性；

如何进行校验？

如采用MD5进行校验——>将原始数据和MD5进行计算的值——>将其值存入到16位的校验和当中；

接收端接收到内容之后，按照通过的规则加密数据得到一个校验和，用这个计算出来的校验和与UDP头中的

位校验和对比，如果相等，则此数据是正确的。

 （3）16位UDP长度 = UDP头部长度（8个字节） + 数据长度；

 （4） UDP一个包的最大理论长度 = 2^16  即 65536/1024= 64KB;

如果UDP编程的时候的数据大小大于64KB，如何解决？

方案1：在应用层进行数据报的拆分和组合；

方案2：大于64KB,不进行处理，可以交给下层（网络层：TCP/IP协议）去处理，它会在网络层进行分包和组包。——  一般不采用。——  不保证质量，有丢包风险。

（4）UDP的特点：

• 无连接——知道接收端的IP和端口号就可直接进行传输，不需要建立连接；
• 不可靠——没有确认机制，没有重传机制；如网络故障引起的无法发送到接收端，不会给应用层返回任何错误信息；
• 面向数据报：不能灵活的控制读写数据的次数和数量；应用层交给UDP的数据报，不会对其进行拆分和合并等。
• UDP的缓冲区——没有发送缓冲区，只有接收缓冲区；

（5）UDP 的使用长南京：DNS(域名解析服务)【域名和IP的映射】。

（6）UDP的socket既能读取，也能写入，即全双工。

全双工	指发送端或者接收端既可以发送消息，也可以接收消息	UDP和TCP
半双工	发送端只能发送消息，不能接收消息；接收端只能接收消息，不能发送消息。

3.TCP协议

（1）Transmisssion Control Protocol 传输控制协议，即对数据的传输进行控制；

（2）协议段格式

• 16位源端口号——发送程序
• 16位目标端口号——接收程序
• 32位序号——消息的身份标识（TCP对每个字节的数据都进行了编号，即序列号）
• 32位确认号
• 4位TCP报头长度——标识该TCP头部有多少个32为bit(有多少个4字节)；
• 6位标志位

URG	当是1，表示紧急指针
ACK	是否确认应答消息
PSH	是否自己从缓冲区取走数据
RST	复位标识
SYN	同步序列号标识（TCP连接时使用）
FIN	结束序列号（TCP进行断开连接时使用）

• 16位窗口大小——记录的是如果16位的滑动窗口大小                        
• 16位校验和——发送端填充，CRC校验和
• 16位紧急指针——标识哪部分数据是紧急数据
• 40字节头部选项
• 数据

（3）TCP的8大特性——保证稳定性，高效能

8大特性	作用	可能问题以及缺点
确认应答机制(ACK)	保障TCP稳定的核心机制 接收方拿到消息之后，给予应答。 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。	(1)发送消息丢失；(2)ACK丢失
超时重传机制	内核：自动进行消息去重；Linux中，默认时间500ms。 策略：（1）发送不会以固定的频率发送；采取的是悲观策略；TCP采取指数形式递增的频率来发送消息；            （2）如果超过一定的重试次数，消息还未得到应答（TCP认为网络或者对端主机出现异常，强制关闭连接），                      则停止发送消息	一发一收的应答形式，当数据往返的时间较长的时候，性能差；
连接管理机制	正常情况,TCP会经过：3次握手（3次通讯syn ——>( syn + ack) ——> ack）建立连接，——为了验证收发两端的收发机制（即双工能力）； 4次挥手（4次通讯fin ——>(ack——>fin)——>ack）断开连接；——为了确保发送端和接收端能正常关闭； 延迟应答 + 捎带应答 ——>使得3次挥手有了可能（取决于接收缓冲区中是否有任务）。	性能低
滑动窗口	一次发送多条数据，可以提高传输性能； 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的的最大值， 操作系统内核为了维护滑动窗口，需要开辟“发送缓冲区”来记录当前还有安歇数据没有应答；只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉。	（1）数据报直接丢了；——当前前面丢失的数据正常补齐之后，返回的是ACK的最大值，此机制称为“快重传”。 （2）数据报已经抵达，ACK丢失了；——可以通过后续ACK进行确认。
流量控制	TCP支持根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度，此机制即流量控制（Flow Control）； 本质：根据接收缓冲区的大小的结果为导向进行数据的传递；	如果在刚开始就发送大量的数据，也可引发问题。
拥塞控制	TCP引入慢启动机制，先发送少量的数据，根据当前时间的网络来动态在调整收发的频率。 本质：以当前网络环境的拥塞程度为导向。
延迟应答	策略：（1）每隔一段时间（固定时间取200ms）延迟应答一次——一定程度上加快发送消息的速度；            （2）每隔N（一般取2）个包延迟应答一次；	注意：延迟应答的时间(200ms)一定要小于超时重传的时间（Linux:500ms）
捎带应答	针对延迟应答的性能优化	基于延迟应答的性能（“一收一发”）提升

（4）面向数据流——没有明确边界，可能会导致粘包和半包问题。

         粘包和半包都是用来指得到的数据不是预期的数据。

         粘包和半包问题解决：

               方案1：在服务器端使用BufferedReader(使用readLine()方法) 、BufferedWriter；客户端加入结束标识符\n——以进行流的分割；

               方案2：每次发送固定大小的数据（以空格进行填充——trim()）；

（5）TCP异常处理情况：

•  可挽救异常：电脑重启或者结束进程的时候，它会发送FIN请求，和正常关闭TCP没有什么区别。
•  不可挽救异常：电脑断电/网线中断：TCP内置了保活定时器，会定时检测对方是否在线，如果检测的结果是没有任何响应，说明已经掉线。

4.TCP既可保证稳定性，又可以提高性能

TCP保证稳定性	（1）确认应答机制；（2）超时重传机制；（3）连接管理机制；（4）流量控制；（5）拥塞控制
保证性能	（1）滑动窗口；（2）延时应答；（3）捎带应答；

问题1:

（1）为什么需要3次握手？

只有经过3次握手，才可以完整的证明客户端和服务器端具有的发送和接收能力（全双工）；

（2）3次挥手是否可以？

有可能可以。取决于接收缓冲区是否有任务。

如果没有待结束的任务两次挥手可以合并；——即捎带应答。

对应到程序，如果接收缓冲区没有数据了。则可以直接关闭连接。

问题2：

拥塞控制的执行原理：—— 慢启动机制

（1）刚开始先发送1个包，如果可以正常接收就会以指数形式增加发送的数据报数量，一直增加到流量控制的最大值之后，就会按照线性方式增长；

（2）当TCP开始启动的时候，慢启动阈值等于窗口最大值；

（3）在每次超时重发的时候，慢启动阈值会变成原来的一半，同时拥塞窗口置回1；