【网络编程】传输层重点协议详解（UPD+TCP）

传输层协议：负责数据能够从发送端传输接收端。

1.UDP协议

1.1 UDP协议端格式

UDP报头：
对于UDP报头，大多数资料上给出的都是这种形式：

但这其实是为了排版方便才这样描述的，真正的UDP报头应该是如下形式：

• 16位（bit位）UDP长度，表示整个数据报（UDP首部+UDP数据）的最大长度；
• 如果校验和出错，就会直接丢弃；

1.2 UDP的特点

UDP传输的过程类似于寄信

• 无连接
  知道对端的IP和端口号就直接进行传输，不需要建立连接；

• 不可靠
  没有任何安全机制，发送端发送数据报以后，如果因为网络故障该段无法发到对方，UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息；

• 面向数据报
  应用层交给UDP多长的报文，UDP原样发送，既不会拆分，也不会合并；

用UDP传输100个字节的数据：
如果发送端一次发送100个字节，那么接收端也必须一次接收100个字节；而不能循环接收10次，
每次接收10个字节。

• 缓冲区
  UDP只有接收缓冲区，没有发送缓冲区：
  UDP没有真正意义上的 发送缓冲区。发送的数据会直接交给内核，由内核将数据传给网络层协议
  进行后续的传输动作；
  UDP具有接收缓冲区，但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报的顺序和发送UDP报的顺序一
  致；如果缓冲区满了，再到达的UDP数据就会被丢弃；

• 全双工
  UDP的socket既能读，也能写

• 大小受限
  UDP协议首部中有一个16位的最大长度。也就是说一个UDP能传输的数据最大长度是64K（包含UDP首
  部）

1.3 基于UDP的应用层协议

• NFS：网络文件系统
• TFTP：简单文件传输协议
• DHCP：动态主机配置协议
• BOOTP：启动协议（用于无盘设备启动）
• DNS：域名解析协议
• 当然，也包括你自己写UDP程序时自定义的应用层协议。

2. TCP协议

2.1 TCP协议端格式

• 源/目的端口号：表示数据是从哪个进程来，到哪个进程去；
• 32位序号/32位确认号：基于TCP协议是可靠传输，用于确认数据是否传输到接收方
• 4位TCP报头长度：表示该TCP头部有多少个32位bit（有多少个4字节）；所以TCP头部最大长度是
  15 * 4 = 60
• 6位标志位:
  URG：紧急指针是否有效
  ACK：确认号是否有效
  PSH：提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
  RST：对方要求重新建立连接；我们把携带RST标识的称为复位报文段
  SYN：请求建立连接；我们把携带SYN标识的称为同步报文段
  FIN：通知对方，本端要关闭了，我们称携带FIN标识的为结束报文段
• 16位窗口大小：
• 16位校验和：发送端填充，CRC校验。接收端校验不通过，则认为数据有问题。此处的检验和不
  光包含TCP首部，也包含TCP数据部分。
• 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：暂时忽略；

2.2 TCP原理

TCP对数据传输提供的管控机制，主要体现在两个方面：安全和效率。
这些机制和多线程的设计原则类似：保证数据传输安全的前提下，尽可能的提高传输效率。

2.2.1 确认应答机制（安全机制）

TCP将每个字节的数据都进行了编号。即为序列号。（以字节为单位对数据进行编号）

每一个ACK都带有对应的确认序列号，意思是告诉发送者，我已经收到了哪些数据；下一次你从哪里开
始发

2.1.2 超时重传机制（安全机制）

• 主机A发送数据给B之后，可能因为网络拥堵等原因，数据无法到达主机B；
• 如果主机A在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答，就会进行重发；

但是，主机A未收到B发来的确认应答，也可能是因为ACK丢失了；

因此主机B会收到很多重复数据。那么TCP协议需要能够识别出那些包是重复的包，并且把重复的丢弃
掉。

这时候我们可以利用前面提到的序列号，就可以很容易做到去重的效果。

2.1.3 连接管理机制（安全机制）

在正常情况下，TCP要经过三次握手建立连接，四次挥手断开连接

• syn是该协议中的一个标志位。如果该位被置为1，则表示这个报文是一个请求建立连接的报文（同步报文段）。
• ack也是该协议的一个标志位。如果该位被置为1，则表示这个报文是一个用于确认的报文（确认报文段）。
• 如果ACK这一位是1，表示这个报文段就是一个“确认报文段”
  
  三次握手建立连接：
  

这个过程是一个双向奔赴的过程，类似于表白，双方都像对方表白，才算真正建立了关系

而且，中间的这两次（ACK+SYN）是会合二为一的，因为每次要传输的数据，都要经过一系列的封装和分用，才能完成传输，为了提高传输的效率，这里会把二次封装合为一次封装发送

这个过程也很容易，在tcp报文段中同时将SYN+ACK设置为1进行传输即可：

所以三次握手建立连接就是这样：

对于TCP的状态，很多我们是不需要也没必要去关注的，我们只需要知道这两个即可：

• LISTEN：表示服务器启动成功，端口绑定成功，随时可以有客服端来建立连接（类似于手机开机，信号良好，随时可以有人打电话过来）
• ESTABLISHED：表示客服端已经连接成功，随时可以进行通信了（类似于电话接通，随时可以说话了）

四次挥手断开连接：
三次握手，就让客服端和服务器之间建立好了连接；建立好了连接之后，操作系统内核中，就需要使用一定的数据结构来保存连接相关的信息；其中保存的信息其实最重要的就是“五元组”，并且客服端服务器都得保存五元组~ （源IP+源端口+目的IP+目的端口+协议（TCP/UDP）），既然保存了信息就需要占用系统资源（内存），如果之后连接断开了（连接不复存在了），此前保存的连接信息就没有意义了，对应的空间也就可以释放了；

四次挥手断开连接图示：

双方各自向对方发生了FIN（结束报文段）请求，并且各自给对方一个ACK确认报文；

FIN设置为1，就表示这是一个结束报文段

• 三次握手，一定是客服端主动发起的（主动发起的一方才叫客服端）
• 四次挥手，可能是客服端主动发起的，也可能是服务器主动发起的
• 三次挥手，中间两次能合并
• 四次挥手，中间两次有时候合并不了（有时候是能合并的），不能合并的原因，在于B发生ACK和B发生FIN的时机是不同的；四次挥手中，B给A发生的ACK，是操作系统内核负责的，B给A发的FIN是用户代码负责（B中的代码调用了socket.close（）方法，才会触发FIN，收到FIN，内核立刻返回ACK）
• 而三次握手建立连接中,B发送的ACK和SYN是同一时机的，就能够合并，此时B给A发送的ACK和SYN都是由操作系统内核负责进行的
  

对于断开连接中的状态，有两个需要我们重点理解：

• CLOSE_WAIT ：四次挥手了两次之后出现的状态，这个状态就是在等待代码中调用socket.close()方法，来进行后续的挥手过程；正常情况下，一个服务器上不应该存在大量的CLOSE_WAIT，如果存在，大概率是代码bug，close没有被执行到

• TIME_WAIT：谁主动发起FIN，谁就进入到TIME_WAIT，起到的效果，就是给最后一次ACK提供重传的机会
  因为表面上看起来，A发送完ACK之后，就没有A啥事了，按理说，A就应该销毁连接，释放资源，但是实际情况A并没有直接释放，而是会进入到TIME_WAIT状态等待一段时间，再来释放连接（等待这一个过程，就是担心最后一个ACK丢包，如果最后一个ACK丢包了，就意味着B过一会就会重传FIN）

• TIME_WAIT的持续设定时间一般是2*MSL（MSL表示网络上任意两点之间，传输需要的最大时间，这个时间也是系统上可以自行配置的参数，一个典型的设置就是60s（经验值））

2.1.4 滑动窗口（效率机制）

滑动窗口存在的意义就是在保证可靠性的前提下，尽量提高传输效率

刚才的确认应答策略，对每一个发送的数据段，都要给一个ACK确认应答。收到ACK后再发送
下一个数据段。这样做有一个比较大的缺点，就是性能较差。尤其是数据往返的时间较长的时候，数据传输过程中大量的时间都浪费在等待ACK的过程中，为了提高传输效率，引入了滑动窗口机制

既然这样一发一收的方式性能较低，那么我们一次发送多条数据，就可以大大的提高性能（其实是将多个段的等待时间重叠在一起了）

• 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最大值。上图的窗口大小就是4000
  个字节（四个段）。
• 发送前四个段的时候，不需要等待任何ACK，直接发送；
• 收到第一个ACK后，滑动窗口向后移动，继续发送第五个段的数据；依次类推；
• 操作系统内核为了维护这个滑动窗口，需要开辟 发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有
  应答；只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉；
• 窗口越大，则网络的吞吐率就越高；
  

如果出现了丢包，如何进行重传？这里分两种情况讨论：

情况一：数据包已经抵达，ACK被丢了：

这种情况下，部分ACK丢了并不要紧，因为可以通过后续的ACK进行确认（因为ACK代表的是前面的所有数据都成功收到了，假如2001丢了，但是4001收到了，也可以代表1001-2000数据成功收到了）

情况二：数据包就直接丢了：

• 当某一段报文段丢失之后，发送端会一直收到 1001 这样的ACK，就像是在提醒发送端 “我想
  要的是 1001” 一样；
• 如果发送端主机连续三次收到了同样一个 “1001” 这样的应答，就会将对应的数据 1001 -
  2000 重新发送；
• 这个时候接收端收到了 1001 之后，再次返回的ACK就是7001了（因为2001 - 7000）接收端
  其实之前就已经收到了，被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中；

在A重传1001-2000之前，B的接收缓冲区如图：

当A重传了1001-2000之后，B的接收缓冲区，就把这个数据缺口给补上了，后续的2001-7000这些数据都是之前已经传输过的了，这些数据就不必再重传了，接下来B就向A索要7001的数据

这样的重传就只是把丢了的那一块数据给重传了即可，其他已经收到了的数据就不必再重传了，这种机制被称为 “高速重发控制”（也叫 “快重传”），传输效率是比较高的

2.1.5 流量控制（安全机制）

接收端处理数据的速度是有限的。如果发送端发的太快，导致接收端的缓冲区被打满，这个时候如果发
送端继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。

因此TCP支持根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度。这个机制就叫做流量控制（Flow Control）；

• 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 “窗口大小” 字段，通过ACK端通知
  发送端；
• 窗口大小字段越大，说明网络的吞吐量越高；
• 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端；
• 发送端接受到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度；
• 如果接收端缓冲区满了，就会将窗口置为0；这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送
  一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端。

这样的数据传输过程，可以理解为“生产者消费者模型”
A就是生产者，B的应用程序就是消费者，B的接收缓冲区，就是交易场所，
接收缓冲区有一个总大小，随着A发生数据，接收缓冲区就会逐渐放入一些数据，剩余空间就会逐渐缩小

• 如果剩余空间比较大，就认为B的处理能力是比较强的，就可以让A发的快一些
• 如果剩余空间比较小，就认为B的处理能力是比较弱的，就可以让A发的慢一些

接收端如何把窗口大小告诉发送端呢？在TCP首部中，有一个16位窗口字段，就是存放了窗口
大小信息；

那么问题来了，16位数字最大表示65535，那么TCP窗口最大就是65535字节么？
实际上，TCP首部40字节选项中还包含了一个窗口扩大因子M，实际窗口大小是 窗口字段的值左移 M
位；

2.1.6 拥塞控制（安全机制）

拥塞控制，是滑动窗口的延伸，也限制滑动窗口发送的速度
拥塞控制衡量的是，发送方到接收方，这整个链路之间，拥堵情况（处理能力）

虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器，能够高效可靠的发送大量的数据。但是如果在刚开始阶段就发送大
量的数据，仍然可能引发问题。

因为网络上有很多的计算机，可能当前的网络状态就已经比较拥堵。在不清楚当前网络状态下，贸然发
送大量的数据，是很有可能引起雪上加霜的。

TCP引入 慢启动 机制，先发少量的数据，探探路，摸清当前的网络拥堵状态，再决定按照多大的速度传输数据；

A开始的时候以一个比较小的窗口来发送数据，如果数据很流畅的到达了B，就逐渐增大窗口大小
如果加大到一定程度之后，出现了丢包；（丢包就意味着通信链路出现拥堵了），这个时候再减少窗口
通过反复的增大，减小窗口，逐渐就摸索到了一个合适的范围，拥塞窗口在这个范围不断变化中，达到了“动态平衡”

• 此处引入一个概念程为拥塞窗口
• 发送开始的时候，定义拥塞窗口大小为1；
• 每次收到一个ACK应答，拥塞窗口加1；
• 最终滑动窗口的大小=min（拥塞窗口，流畅控制窗口）

像上面这样的拥塞窗口增长速度，是指数级别的。“慢启动” 只是指初使时慢，但是增长速度非常快

• 为了不增长的那么快，因此不能使拥塞窗口单纯的加倍。

• 此处引入一个叫做慢启动的阈值

• 当拥塞窗口超过这个阈值的时候，不再按照指数方式增长，而是按照线性方式增长
  

• 当TCP开始启动的时候，慢启动阈值等于窗口最大值；

• 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；

少量的丢包，我们仅仅是触发超时重传；大量的丢包，我们就认为网络拥塞；
当TCP通信开始后，网络吞吐量会逐渐上升；随着网络发生拥堵，吞吐量会立刻下降；

拥塞控制，归根结底是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方，但是又要避免给网络造成太大压力的
折中方案，理想的效果就是 窗口大小在 阈值和丢包窗口 之间

2.1.7 延迟应答（效率机制）

如果接收数据的主机立刻返回ACK应答，这时候返回的窗口可能比较小。

延时应答相当于流量控制的延伸，流量控制是踩了下刹车，使发送方，发送数据不要太快
延时应答就在这个基础上，能够尽量的再让窗口再大一些

一定要记得，窗口越大，网络吞吐量就越大，传输效率就越高。我们的目标是在保证网络不拥塞的情况
下尽量提高传输效率；

所有的包也不是都可以延迟应答的：

• 数量限制：每隔N个包就应答一次；
• 时间限制：超过最大延迟时间就应答一次；

具体的数量和超时时间，依操作系统不同也有差异；一般N取2，超时时间取200ms；

2.1.8 捎带应答（效率机制）

捎带应答又是延时应答的延伸

• 因为ACK是内核相应的，收到数据之后就立即执行；
• 而真正的相应数据是应用程序返回的，执行到相关的代码时候
• 这两东西不是同时触发的，不应该合并
• 但是因为延时应答的存在，导致ACK不一定是立即返回的，如果当前的延时应答导致ACK的返回时机和代码中返回的相应时机重合了，就可以捎带一起把这个ACK和响应数据合二为一了
• 对于捎带应答来说，ACK已经和数据合为一个包了，ACK丢了也意味着数据丢了，就走正常的丢包重传就行了

2.1.9 面向字节流 缓冲区 大小限制

创建一个TCP的socket，同时在内核中创建一个 发送缓冲区 和一个 接收缓冲区；

• 调用write时，数据会先写入发送缓冲区中；
• 如果发送的字节数太长，会被拆分成多个TCP的数据包发出；
• 如果发送的字节数太短，就会先在缓冲区里等待，等到缓冲区长度差不多了，或者其他合适
  的时机发送出去；
• 接收数据的时候，数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区；
• 然后应用程序可以调用read从接收缓冲区拿数据；
• 另一方面，TCP的一个连接，既有发送缓冲区，也有接收缓冲区，那么对于这一个连接，既
  可以读数据，也可以写数据。这个概念叫做 全双工

由于缓冲区的存在，TCP程序的读和写不需要一一匹配，例如：

• 写100个字节数据时，可以调用一次write写100个字节，也可以调用100次write，每次写一
  个字节；
• 读100个字节数据时，也完全不需要考虑写的时候是怎么写的，既可以一次read 100个字
  节，也可以一次read一个字节，重复100次；

3 粘包问题

• 首先要明确，粘包问题中的 “包” ，是指的应用层的数据包。
• 在TCP的协议头中，没有如同UDP一样的 “报文长度” 这样的字段，但是有一个序号这样的字
  段。
• 站在传输层的角度，TCP是一个一个报文过来的。按照序号排好序放在缓冲区中。
• 站在应用层的角度，看到的只是一串连续的字节数据。
• 那么应用程序看到了这么一连串的字节数据，就不知道从哪个部分开始到哪个部分，是一个
  完整的应用层数据包。

避免粘包问题，归根结底就是一句话，明确两个包之间的边界。

• 对于定长的包，保证每次都按固定大小读取即可；例如上面的Request结构，是固定大小
  的，那么就从缓冲区从头开始按sizeof（Request）依次读取即可；
• 对于变长的包，可以在包头的位置，约定一个包总长度的字段，从而就知道了包的结束位
  置；
• 对于变长的包，还可以在包和包之间使用明确的分隔符（应用层协议，是程序猿自己来定
  的，只要保证分隔符不和正文冲突即可）；

对于UDP协议来说，是不存在 “粘包问题” 的

• 对于UDP，如果还没有上层交付数据，UDP的报文长度仍然在。同时，UDP是一个一个把数
  据交付给应用层。就有很明确的数据边界。
• 站在应用层的，使用UDP的时候，要么收到完整的UDP报文，要么不收。不会出现"半个"的情况。

4.TCP异常情况

• 进程终止：进程终止会释放文件描述符，仍然可以发送FIN。和正常关闭没有什么区别。
• 机器重启：和进程终止的情况相同。
• 机器掉电/网线断开：接收端认为连接还在，一旦接收端有写入操作，接收端发现连接已经不在了，就会进行reset。即使没有写入操作，TCP自己也内置了一个保活定时器，会定期询问对方是否还在。如果对方不在，也会把连接释放。
  （相当于，把A比作服务器端，B比作客服端，如果B断电，意味着A发送的数据不再会有ACK了，A进入超时重传，重传几次之后，A认为这个连接已经出现了严重故障了，尝试重新建立连接，如果重连失败后，就会放弃连接；
  如果A断电，B不知道A是已经挂了，还是休息会再继续发数据，B就会时不时的给A发送一个小的报文，这个报文不带有数据，只是为了触发ACK，称为探测报文或者心跳包，通过这个探测报文，发现A不再返回ACK了，因此B就认为A出现了问题，就会放弃连接）
• 另外，应用层的某些协议，也有一些这样的检测机制。例如HTTP长连接中，也会定期检测对方的状
  态。例如QQ，在QQ断线之后，也会定期尝试重新连接。

3. TCP小结

因为TCP即要保证可靠性，同时又尽可能的提高性能，所以相较于UDP复杂的多

可靠性：

• 校验和
• 序列号（按序到达）
• 确认应答
• 超时重传

• 连接管理（三次握手建立连接，四次挥手断开连接）

• 流量控制（动态调整发送速度）
• 拥塞控制（动态放缩找到合适的窗口大小）

提高性能：

• 滑动窗口
• 快速重传
• 延迟应答（尽最大努力让窗口大一些）
• 捎带应答（让服务器相应捎带着内核发送的ACK一起发送，提高传输效率）

4.基于TCP应用层协议

• HTTP
• HTTPS
• SSH
• Telnet
• FTP
• SMTP
• 自己写TCP程序时自定义的应用层协议；

5. 经典面试题：基于UDP如果实现可靠传输

这个问题其实在考TCP，回答时候本质上就是在应用层基于UDP复刻TCP机制

就是在应用层引入实现这些TCP保证可靠传输的机制就可以了：

• over 完结撒花