传输层重点协议----TCP and UDP

一、TCP 协议

TCP协议(Transmission Control Protocol)，传输控制协议;
是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议;

1、TCP 协议格式

图中，6个boolean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：复位报文段
• SYN：同步报文段
• FIN：结束报文段

2、TCP 协议特点

TCP 协议具有以下特点：

• 有连接
• 可靠传输：网络数据传输的方式是一跳一跳经过所有路途中的设备，就可能发生数据丢失问题；
• 面向字节流：可以多次收发数据（连接没有关闭时）；
• 有接收缓冲区与发送缓冲区
• 大小不限：可以多次收发，且每次收发都可以很大；

3、TCP 协议特性

（1）确认应答机制（安全机制）

确认应答机制：发送的数据报，对方要返回一个确认应答的数据报；

实现方式：

TCP将每个字节的数据都进行了编号，即为序列号；
如图中返回下一个是1001，表示1001之前的所有数据报，都已经接收到；

确认应答是可靠传输的最核心机制，接收方返回一个应答报文ACK，表示已经接收到发送方的数据报；

（2）超时重传机制（安全机制）

确认应答机制是比较理想的情况，但实际上数据在传输的过程中，会伴随着丢包情况，该情况就需要使用超时重传机制；
具体如下：

• 情况1：主机A向主机B发送数据，网络拥堵造成丢包，需要重传；
  
• 情况2：主机A向主机B发送数据，应答报文ACK丢失了，需要重传；

那么，具体超时多长时间，就要进行重传呢？

TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信，因此会动态计算这个最大超时时间；

• 假设，超时以初始值为一个单位进行控制，每次判定超时重发的超时时间都是初始值的整数倍；即：超时初始值*2^n；
• n累计到一定的阈值，TCP就会强制关闭连接；

（3）连接管理机制（安全机制）—（三次握手、四次挥手）

在真正发送数据之前，会先建立连接，建立连接也是为了保证可靠性；

如何建立连接？

即 ：三次握手

三次握手：

• 第一次握手：客户端发送 SYN 到服务端，申请建立客户端到服务端的连接；
• 第二次握手：服务端接收到客户端数据报后，服务端返回 SYN+ACK 给客户端以确认连接服务端到客户端的请求（这里的ACK是第一次的SYN应答）；
• 第三次握手：客户端接收到服务端返回的数据报，状态置为established，并返回 ACK 给服务端（第二次SYN的应答），服务端接收到这个ACK，就将状态置为established，建立了服务端到客户端的连接；

三次握手保证了客户端与接收端同时具备发送、接收数据的能力；

当不需要在进行数据传输时，就需要关闭连接；即：四次挥手；

四次挥手：

注意：关闭连接时，客户端、服务端都可以申请；

此处为客户端发起关闭连接；

• 第一次挥手：客户端发送FIN到服务，申请关闭客户端到服务端的连接；
• 第二次挥手：服务端接收到 FIN，将状态置为close_wait，并返回一个ACK应答给客户端;（该动作是系统实现TCP协议栈默认执行的，不需要程序调用代码）；
• 第三次挥手：服务端发送一个FIN到客户端，申请关闭服务端到客户端的连接，并执行关闭连接前的一些操作；
• 第四次挥手：客户端返回ACK到服务端，并将状态置为time_wait，需要等待一段时间（防止丢包需要重传FIN），客户端再将状态置为closed，等服务端接收到这个数据报时，状态置为closed关闭连接；

（4）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，将该机制就叫做流量控制（Flow Control）；

（5）拥塞控制（安全机制）

发送端网络情况不明时，贸然发送大量数据，就可能导致丢包；
解决方案：TCP 引入慢启动机制，先发送少量的数据去探路，摸清楚当前的网络状况，再决定按照多大的速度发送数据；

（6）滑动窗口（效率机制）

在收发数据时，如果没有滑动窗口，就是 一收一发，一收一发 的方式，缺点：效率底；

引入滑动窗口后，就可以一次性发送多个数据报；

• 窗口大小：一次性发送多个数据报总的大小，上图中，窗口大小就是4000；
• 具体设置多大窗口：min(流量窗口大小，拥塞窗口大小)；
• 窗口如何滑动？

接收到的ACK下一个是N，就可以滑动到N-1位置；

（7）延迟应答（效率机制）

当接收到数据时，不要立刻ACK应答，而是等待一定时间（延时），让程序处理一部分接收的数据，这样就可以将流量窗口设置的较大一些，这样发送的窗口就可以更大一些（网络吞吐量更大）；

（8）捎带应答（效率机制）

服务端接收到客户端发送的消息，要返回一个ACK及响应的消息，可以不用两次数据发送，而是将其合并为一个数据进行发送；

（9）粘包问题

粘包问题中的 "包" ，指的是应用层的数据包； 由于TCP是面向字节流的，可以多次接收和发送数据，因此，对应用层来说：

• 到底发送多少次，算一次发送的应用层完整格式数据是不清楚的；
• 到底接收多少次，算一次接收的应用层完整格式数据也是不清楚的；

产生原因：包与包之间的边界没有确定好；
解决方案：确定包的边界
（1）对于定长的包，保证每次都按固定大小读取即可；
（2）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；
（3）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）；

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二、UDP 协议

1、UDP 协议格式

2、UDP 协议特点

UDP 协议具有以下特点：

• 无连接：没有任何连接可靠机制；
• 不可靠
• 面向数据报：一次发送的数据报，也只能一次接收；
• 只有接收缓冲区，没有发送缓冲区
• 大小受限：一个数据报最多64k；

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）；

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三、TCP 与 UDP 对比

TCP 与 UDP 有什么区别？

（1）从特点上来看：

• TCP 协议是有连接的，可靠的，面向字节流的，有发送缓冲区及接收缓冲区，大小不限；
• UDP 协议是无连接的，不可靠的，面向数据报，只有接收缓冲区，没有发送缓冲区，大小受限；

（2）从使用场景上来看：

• TCP 协议适用于高可靠性的业务，如（文件传输）；
• UDP 协议适用于实时性要求高，允许一定程度的丢包，如（语音聊天）；

同时，TCP 协议提供了一系列可靠传输及提高效率的机制；

对于可靠传输，TCP协议提供了：

• 校验和
• 序列号
• 确认应答
• 超时重发
• 连接管理
• 流量控制
• 拥塞控制

对于高效率传输，TCP协议提供了：

• 滑动窗口
• 延时应答
• 捎带应答

扩展问题：

1. UDP本身是无连接，不可靠，面向数据报的协议，如果要基于传输层UDP协议，来实现一个可靠传输，应该如何设计？
2. UDP大小是受限的，如果要基于传输层UDP协议，传输超过64K的数据，应该如何设计？

解决方案：在程序应用层加入类似TCP的可靠传输机制，即可实现（包括确认应答，超时重传，连接管理…）