TCP和UDP协议

本文为个人网络学习记录，记录于2022.11.8日

一、TCP协议

        TCP协议，又叫传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。是为了在不可靠的互联网络上提供可靠的端到端字节流而专门设计的一个传输协议。

        互联网络与单个网络有很大的不同，因为互联网络的不同部分可能有截然不同的拓扑结构、带宽、延迟、数据包大小和其他参数。TCP的设计目标是能够动态地适应互联网络的这些特性，而且具备面对各种故障时的健壮性。

1.TCP协议的主要特点

        TCP是一种面向广域网的通信协议，目的是在跨越多个网络通信时，为两个通信端点之间提供一条具有下列特点的通信方式：

（1）基于流的方式；

（2）面向连接；

（3）可靠通信方式；

（4）在网络状况不佳的时候尽量降低系统由于重传带来的带宽开销；

（5）通信连接维护是面向通信的两个端点的，而不考虑中间网段和节点。

        为满足TCP协议的这些特点，TCP协议做了如下的规定： 

①数据分片：在发送端对用户数据进行分片，在接收端进行重组，由TCP确定分片的大小并控制分片和重组；

②到达确认：接收端接收到分片数据时，根据分片数据序号向发送端发送一个确认；

③超时重发：发送方在发送分片时启动超时定时器，如果在定时器超时之后没有收到相应的确认，重发分片；

④滑动窗口：TCP连接每一方的接收缓冲空间大小都固定，接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制，防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出；

⑤失序处理：作为IP数据报来传输的TCP分片到达时可能会失序，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层；

⑥重复处理：作为IP数据报来传输的TCP分片会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据；

⑦数据校验：TCP将保持它首部和数据的检验和，这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到分片的检验和有差错，TCP将丢弃这个分片，并不确认收到此报文段导致对端超时并重发。

2.TCP协议的首部格式

        源端口、目标端口：计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个,即 65536 （0-65535）。

        序号：表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号回绕，再次从0 开始 无限循环。

        确认号：（ack）表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送方：我希望你（指发送方）下次发送的数据的第一个字节数据的编号为此确认号：传输是否有问题。

        首部长度：表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。该字段的单位是32位(即4个字节为计算单位），4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节。

        控制位：

        1.URG（紧急位）：表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只有当URG=1时才有效。

        2.ACK（确认位）：表示是否前面确认号字段是否有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效。TCP规定，连接建立后，ACK必须为1,带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段。

        3.PSH（急切位）：提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中

        4.RST（重置位）：如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志的TCP报文段称为复位报文段 。

        5.SYN（同步位）：在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1，ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段 。

        6.FIN（断开位）：表示通知对方本端要关闭连接了，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，即告诉对方：“我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了”，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段。

        窗口大小：表示现在允许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量，达到此值，需要ACK确认后才能再继续传送后面数据，由Window size value * Window size scaling factor（此值在三次握手阶段TCP选项Window scale协商得到）得出此值。

        校验和：提供额外的可靠性紧急指针：标记紧急数据在数据字段中的位置。

        选项部分：其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为：(2^4-1)*4-20=40字节。

3.TCP的工作方式

（1）TCP的链接

        TCP是因特网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK，并最终对对方的 SYN 执行 ACK 确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接，TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。

        TCP建立连接的过程称为三次握手。

        1.PC1发送SYN报文（Seq=x【数据段的序号】，SYN【同步位】=1 请求进行连接）。

        2.PC2收到请求后会回复，发送SYN+ACK报文（Seq=y【PC2的数据段序号】，ack=x+1【确认号】 希望PC1回复的报文序号，SYN=1【收到PC1的请求】，ACK=1 同意进行连接）。

        3.PC1收到PC2的回复后会发送ACK报文（Seq=x+1，ack【确认号】=y+1，ACK=1同意建立连接）。

         TCP关闭连接的过程称为四次挥手。

        

         断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。中断连接端可以是客户端，也可以是服务器端。

        1. TCP客户端发送一个FIN报文，用来关闭客户到服务器的数据传送。

        2. 服务器收到这个FIN报文，它发回一个ACK报文，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN报文将占用一个序号。

        3.服务器关闭客户端的连接，发送一个FIN给客户端。

        4.客户端发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

二、UDP协议

1.UDP协议

        UDP 协议又叫用户数据报协议，是OSI七层模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。UDP在IP报文的协议号是17。

        UDP提供了无连接通信，且不对传送数据包进行可靠性保证，适合于一次传输少量数据，UDP传输的可靠性由应用层负责。常用的UDP端口号有：53（DNS）、69（TFTP）、161（SNMP），使用UDP协议包括：TFTP、SNMP、NFS、DNS、BOOTP。

2.QUIC协议

        QUIC（Quick UDP Internet Connection）是谷歌制定的一种互联网传输层协议，它基于UDP传输层协议，同时兼具TCP、TLS、HTTP/2等协议的可靠性与安全性，可以有效减少连接与传输延迟，更好地应对当前传输层与应用层的挑战。

三、TCP协议和UDP协议的区别

        1.可靠性：TCP可靠，UDP不可靠。

        2. 连接性：TCP面向连接，UDP无连接。

        3.报文：TCP报文长，UDP报文短。

        4.效率：TCP传输效率低，UDP传输效率高。

        5.TCP有流量控制和拥塞控制,UDP没有。

        6.TCP传输数据有序,UDP不保证数据的有序性。

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总结

        本文介绍了TCP协议和UDP协议的特点和区别，希望阅读完本文的人能对TCP协议和UDP协议有一个更好的认识。