TCP、UDP

TCP和UDP

	TCP	UDP
	传输层	传输层
	面向连接，可靠，全双工，连接可管理（不丢，顺序，无错）	无连接，不可靠，一对一，一对多，多对一，多对多
	面向字节流：应用程序每次交给TCP一个数据块，存储与TCP缓冲区，作为无结构字节流，经TCP拆分，选适合长度发送	面向报文：应用层交给UDP的报文保留报文边界，原样发送，每次一个数据段，当过大时，由IP层分片（效率低）
传输单位	TCP报文段	用户数据报 ip包中协议号17
优缺点	安全，速度，效率低，稳定，有状态	不安全，快，不稳定，无状态
机制	流量控制（滑动窗口）	不分组，组装排序
	差错控制（校验和）	由应用层负责可靠，ip层提供不可靠包交换
	拥塞控制（慢开始-拥塞避免，快重传、快恢复）	网不好时易丢包
	三次握手，四次挥手	少攻击
	确认机制（重传ARQ）耗时，占用资源，容易被攻击
应用	效率要求低，准确性高，要求有连接	效率要求高，准确性低
	eg：文件传输（FTP，HTTP）准确，慢	即时通信（qq）
	发送接受邮件（POP,IMAP,SMTP）准确，慢	在线视频
	远程登录（talent，SSH）准确，有连接	网络语音（TFTP）
编程模型
客户端连续发送&服务器缓存足够大	一次接收，无边界	UDP多次连接，发一次，收一次，有边界

TCP

报头

源端口：2B，大于1023的16位数，由基于tcp应用的用户进程随机选择
目的端口：2B，由应用程序指定
顺序号：4B，32bit无符号数，范围0~2^32 -1，TCP源向目的发送数据字节流，用顺序号对每个字节计数，表示该报文段中第一个数据字节的顺序。当建立连接SYN=1时，表示该主机选择的该连接的初始顺序号ISN
确认号：4B，发送确认一端期望收到的下一个顺序号，当ACK=1时有效
数据偏移：4bit，报头中32bit字的数目（报头长度）
保留区域：6bit，未来使用，置0
控制位：6bit

URG	“1” 紧急指针有效
ACK	“1” 确认号
PSH	“1” 接收方应尽快将报文交给应用层，不用等等缓冲区满
RST	用于复位由于主机崩溃或者其他原因而出现的错误连接，拒绝非法报文段/连接请求。 当RST=1时必出问题
SYN	同步序号 “1” 连接请求，用于建立连接和使序号同步
FIN	释放连接 “1” 关闭本端数据流

窗口大小：2B，0~2^16 -1，从确认号开始源端可以接收的字节
校验和：2B，对整个TCP报文，发送端计算存储，接收端验证
紧急指针：2B，+顺序号=紧急数据最后一个字节的序号，URG=1时有效
选项和填充：4n B（保证为整数字节），连接方在通信的第一个报文段中指明该选项，指明本端能接收的最大长度报文段（MSS）
伪首部：
源ip（4B）+目的ip（4B）+0（1bit）+6（1bit）+TCP长度（2bit）

三次握手，四次挥手

目的：

• 消除旧连接请求SYN对新连接的干扰：当客户端多次发送SYN请求时，服务端则多次回应（SYN + ACK），客户端收到后判断当前连接是否为历史连接，如果是历史连接，就会发送终止报文给服务器终止连接；如果是正常连接，就会发送确认报文，进而建立连接。
  如果只有两次握手，那么客户端识别请求后无法进行后续操作，如果是过期的请求就会造成错误的连接。

• 同步连接双方的确认号，序列号：防止数据包重复发送，以及数据包接收时顺序问题。

• 交换TCP窗口大小

三次握手后，得到双方序号，最大接收数据大小，以及MSS（最大分段大小）
MSS=MTU（以太网最大传输单元，一般为1500B）-IP头（20B）-TCP头（20固定+12可选）=1448B（1460B）
∴当应用层数据>MSS时，分段发送

• ACK 和 FIN 为什么不能合并发送？
  服务器收到客户端的 FIN 就会立即触发 ACK，这个操作是由内核完成的。
  服务器发送的 FIN 是由代码控制的，代码中出现了 socket.colse()这样的操作之后，才会触发 FIN。

确认机制（重传ARQ）

收到数据立刻返回ACK，表示收到，客户端发出数据而一段时间内没有收到ACK则认为数据丢失，重新发送该数据。
回复按序收到的最后一个序号的确认号（对最后一个数据重复确认）
∴多余ACK为冗余ACK

1. 尽量不发ACK包（ACK包不消耗seq），最好发其他消息时捎带ACK
2. 任何时候，不超过两个未确认的段（够两个就发ACK）
3. 延迟确认收到数据后延迟200ms（看是否有其他数据发/收，满足①②）
4. 当收到的段seq>预期的seq，立即发ACK（快重传）
5. 收到重复段，丢弃包，立即发ACK（快重传）
6. 收到缺失段，发ACK

重传机制

在往返时间RTT（TCP动态估算RTT）内未收到确认，则重传&下一次超时间隔=2倍的RTT
收到三个冗余ACK——>快重传

拥塞控制（慢开始、拥塞避免，快重传、快恢复）

设置拥塞窗口cwnd，阈值ssthresh

1. 慢开始：拥塞窗口cwnd=1MSS，传输首次被确认则翻倍，直到cwnd=ssthresh
2. 拥塞避免：每RTT，cwnd+1MSS，直到超时
3. 快速恢复：每个冗余ACK，cwnd+1MSS

收到对丢失报文的ACK，降低cwnd，进入拥塞状态
若出现超时，进入慢开始状态

流量控制（滑动窗口）

窗口大小：无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值。
收/发双方各有一个窗口大小以及缓冲区
根据窗口大小，已发字节，期待字节，计算可发字节

根据窗口大小，客户端发送数据，无需等待服务端回复ACK，可以直接发送，窗口大小为0，无法继续接受
此时服务器确认一个（回复ACK），则窗口向后滑动
建立确认重传机制，收到ACK，移动窗口，防止对方发消息过快
按序确认

自动重传请求ARQ：

1. 停止等待ARQ，窗口为“1”，不确认不发送，信道利用率低
2. 连续ARQ：窗口（后退N帧），重传后面的

选择重传：将出错的帧后面的帧存于缓冲区，按顺序交给网络层，接受不按顺序

差错控制（校验和）

UDP

伪首部：
源ip（4B）+目的ip（4B）+0（1bit）+17（1bit）+UDP长度（2bit）

报头

源端口2B+目的端口2B+长度2B+校验和2B