网络原理（TCP/UDP）
目录
一. 网络基础
1. IP地址
2. 端口号
3. 协议
4. OSI七层模型
二. UDP协议
2.1 UDP的协议端格式：
2.2 UDP的特点
三. TCP协议
3.1 TCP协议段格式
3.2 TCP原理
（1）确认应答机制
（2）超时重传机制
（3）三次握手，四次挥手
（4）滑动窗口
（5）流量控制
（6）拥塞控制
（7）延迟应答
四. TCP/UDP对比
一. 网络基础
1. IP地址
IP地址相信大家早已都耳熟能详了吧，但是对于初学网络的小伙伴来说，还是一个很懵懂的概念，没关系，本人也是刚对网络有了一个初步的了解，希望通过下面的学习总结，来帮助大家一起了解网络的一些基本原理；
概念：
IP地址主要用于标识网络主机、其他网络设备（如路由器）的网络地址。简单说，IP地址用于定位主机的网络地址；
举个例子：IP地址就相当与快递的收货地址虽然定位到了主机，但是IP地址还存在一个问题，就是我们要把数据传输到哪个进程接收，这就需要端口号了；
2. 端口号
概念：在网络通信中，IP地址用于标识主机网络地址，端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。简单说：端口号用于定位主机中的进程。
举个例子：上面说到IP地址是快递的收货地址，那么端口号就是指定的收货人，以确保传输的数据能准确的到达定点；
关于端口号的说明：
一个进程可以绑定多个端口号，多个进程不能绑定同一个端口号；一个进程启动后，系统会会随机分配一个端口；
3. 协议
概念：协议，网络协议的简称，网络协议是网络通信（即网络数据传输）经过的所有网络设备都必须共同遵从的一组约定、规则。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。
为什么需要协议呢？
简单点来说，就是一套标准，因为计算机的有不同操作系统，不同的版本，多家厂商生产出来的硬件有有所区别，为了让这些设备都能保持正常的通信，就约定了一个标准，这一套标准就叫协议；
常见的默认端口号：
- 22端口：预留给SSH服务器绑定SSH协议
- 21端口：预留给FTP服务器绑定FTP协议
- 23端口：预留给Telnet服务器绑定Telnet协议
- 80端口：预留给HTTP服务器绑定HTTP协议
- 443端口：预留给HTTPS服务器绑定HTTPS协议
4. OSI七层模型
OSI 是 Open System Interconnection 的缩写，译为“开放式系统互联”；OSI 模型把网络通信的工作分为 7 层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层；
OSI 只是存在于概念和理论上的一种模型，它的缺点是分层太多，增加了网络工作的复杂性，所以没有大规模应用。后来人们对 OSI 进行了简化，合并了一些层，最终只保留了 4 层，从下到上分别是接口层、网络层、传输层和应用层，这就是大名鼎鼎的 TCP/IP 模型；
就拿TCP/IP模型来说：
- 应用层：负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。我们的网络编程主要就是针对应用层。
- 传输层：负责两台主机之间的数据传输。如传输控制协议 (TCP)，能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。
- 举个例子：传输层只关心两台主机通信的地址，比如我们网上购物，从北京到上海，我不关心中途是怎么运输的，我只关心起点和终点；
- 网络层：负责地址管理和路由选择。例如在IP协议中，通过IP地址来标识一台主机，并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路（路由）。路由器（Router）工作在网路层。
- 举个例子：还是拿购物一事来说，网络层关注的是路线怎么走，比如从北京到上海有很多条路可以走；
- 数据链路层：负责设备之间的数据帧的传送和识别。例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作。有以太网、令牌环网，无线LAN等标准。交换机（Switch）工作在数据链路层。
- 举个例子：数据链路层关注的是路径之间的相邻节点该怎么走，比如就北京到上海，要路过多个城市，而这些多个城市之间的路线是数据链路层所关心的；
- 物理层：负责光/电信号的传递方式。比如现在以太网通用的网线(双绞 线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤，现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器（Hub）工作在物理层
注意：
- 必须是同一层次进行通信，比如，A 计算机的应用层和 B 计算机的传输层就不能通信，因为它们不在一个层次，数据的拆包会遇到问题。
- 每一层的功能都必须相同，也就是拥有完全相同的网络模型。如果网络模型都不同，那不就乱套了，谁都不认识谁。
- 数据只能逐层传输，不能跃层。
- 每一层可以使用下层提供的服务，并向上层提供服务。
二. UDP协议
UDP（User Datagram Protocol）是一个简单的面向消息的传输层协议；
2.1 UDP的协议端格式：
源端口： 数据从这里发出；
目的端口：数据要去的地方；
长度：标识UDP头的长度，包括首部长度和数据长度；一个UDP报文最大长度就是64KB；
校验和：它存在的意义就是用来判定一下，如果校验和出错，就会直接丢弃；
2.2 UDP的特点
（1）无连接
UDP传输的过程类似于寄信，知道对方的端口号和IP地址就可以进行传输，不需要建立连接
（2）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；
（3）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；
三. TCP协议
TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。
3.1 TCP协议段格式
3.2 TCP原理
（1）确认应答机制
当发送端发送数据时，如上图，第一次发送数据时，数据包括一个报头和载荷，报头是序号，载荷里面是要发送的数据，当第一次发送时，接收方会接受应答，并返回确认序号向发送发索要下一次的数据，通过ack的确认序号，告诉发送方我已经接受到了哪些数据；
在进行确认应答时，往往会伴随着后发先至的情况，就是先发送的数据后到，后发的数据先到的情况，这种情况也不用担心，对于TCP来说，它会帮我们整队，在TCP内部有个接受缓存区，这是内核中的一块内存空间，当出现乱套的情况，TCP会在这个缓存区按照序号帮我们对收到的消息进行整队；
（2）超时重传机制
在网络的传输过程中，难免会发生"丢包"的情况，那么TCP就会采取重传机制，以便于发送的数据包能准确无误的到达目的地，在丢包中，一般分为两种情况：
1.第一次发送方的数据直接丢了，接收方没到到，不会发送ack;
2.接受方收到数据了，返回的ack丢了；
这种情况下，就有一个问题，当接受方返回的ack丢了之后，发送方会继续发送，这样接受方就一直收到重复的数据，这可不是一个小问题，就拿手机支付来说，本来要付1元，结果因为丢包接受方没有返回响应，就会一直扣款！！！
当然，TCP的功能是很强大的，这点问题TCP也会采取相应的措施来帮我们解决，TCP会在接收缓存区根据收到的数据的序号，来帮助我们去重，这样就保证读到的数据不会是重复的！！！
在重传的过程中，也有可能发生丢包，丢失的包继续发生重传，但是每丢包一次，超时等待的时间就会变长，TCP会认为重传也没戏了，于是就干脆放弃了（这种就是严重的网络问题），连续多次重传，都无法得到ack，此时TCP就会尝试重置连接，如果连接失败，TCP就会关闭连接，放弃网络通信了；
面试题：TCP是如何实现可靠性的？
答：确认应答+超时重传
这里不能回答三次握手和四次挥手，这个是和连接相关的，而非可靠性；
（3）三次握手，四次挥手
TCP建立连接：三次握手
所谓握手，就是通信双方，进行一次网络交互，相当于客户端和服务器之间，通过三次交互，建立了关系；
过程：
1、第一次握手：客户端给服务器发送一个 SYN（同步报文段） 报文。
2、第二次握手：服务器收到 SYN 报文之后，会应答一个 SYN+ACK 报文。
3、第三次握手：客户端收到 SYN+ACK 报文之后，会回应一个 ACK 报文。
4、服务器收到 ACK 报文之后，三次握手建立完成。
三次握手的作用：
简单点来说，就是验证了客户端和服务器端各自的发送能力和接收能留是否正常；
注：三次握手都是由内核自动完成的，应用程序干预不了；
TCP断开连接： 四次挥手
过程：
1、第一次挥手：客户端发送一个 FIN 报文，报文中会指定一个序列号。此时客户端处于FIN_WAIT1状态。
2、第二次握手：服务端收到 FIN 之后，会发送 ACK 报文，且把客户端的序列号值 + 1 作为 ACK 报文的序列号值，表明已经收到客户端的报文了，此时服务端处于 CLOSE_WAIT状态。
3、第三次挥手：如果服务端也想断开连接了，和客户端的第一次挥手一样，发给 FIN 报文，且指定一个序列号。此时服务端处于 LAST_ACK 的状态。
4、第四次挥手：客户端收到 FIN 之后，一样发送一个 ACK 报文作为应答，且把服务端的序列号值 + 1 作为自己 ACK 报文的序列号值，此时客户端处于 TIME_WAIT 状态。需要过一阵子以确保服务端收到自己的 ACK 报文之后才会进入 CLOSED 状态
5、服务端收到 ACK 报文之后，就处于关闭连接了，处于 CLOSED 状态。
在三次握手中，返回的ACK和SYN是合并发送到客户端的，而四次挥手这里的FIN和ACK是不能合并发送的，这是因为三次握手中的ACK和SYN是同一时机触发的，都是由内核完成的，而四次挥手中的ACK和FIN是不同时机触发的，ACK是在内核完成的，而FIN是由应用程序代码控制的，是在调用socket的close方法的时候才会触发FIN；
（4）滑动窗口
上面说到当发送方发送一个数据段，都要给一个ACK确认应答，收到ACK之后才会发送下一个数据段，如果我们要发送大量的数据段时，那么发送方这边就需要一条一条的等待ACK，这样就浪费了大量时间，所以为了缩短等待时间，这里就需要批量发送，以提高发送的效率；
批量传输之后：
上述批量传输数据的过程，我们就叫做滑动窗口，批量发送并不是无厘头的去发，而是发送到一定程度，就等待ACK，我们把批量发送等待的数据，称为"窗口大小"；
（5）流量控制
上面说的滑动窗口，就是为了让传输的效率更高，窗口越大，批量发送的数据越多，整体的效率就提上去了，可是并不是越快越好，如果发送太快了，就很容易把接收缓冲区给塞满了，此时你再发送数据，就很容易丢包了，TCP也有这样的机制，通过流量的控制，来限制一下发送方的速度；
那么是如何进行控制的呢？？？
我们让ACK报文中携带一个"窗口大小"的字段，当ACK为1的时候，此时就是一个ACK报文，此时窗口大小字段就会生效，这里是拿接受缓冲区的剩余空间作为窗口大小；
当发送方发现对方满了之后，就会暂停发送，但是不会一直停止，每隔一段时间就会触发一个窗口探测报文，如果发现缓冲区有容量了，就会继续批量发送；
（6）拥塞控制
我们都知道，在客户端和服务器端之间往往都有很多的交换机和路由器，很明显，在传输路径上，中间任何一个设备出了问题，都会导致传输速率受到一定的影响；拥塞控制的作用就是衡量中间节点传输的能力；
拥塞控制是通过实验的方式，来找到一个合适的发送速率；开始的时候，按照一个小的速率发送，如果不丢包，就可以适当提高一下速率，如果丢包，就把速率调小；最后得到一个合适的发送速率，这实际上也是一个动态平衡的过程；
（7）延迟应答
上面说到接收方要返回ACK给发送方，这里的延迟应答就是不是立即发送ACK，而是等一会再发送，这样做的好处就是可以增大窗口的大小，因为延迟的这一小会儿，应用程序从接受缓存区里消费了一批数据了，同时也能让发送方的发送速率大一些；
TCP中延迟应答的两种方式：
- 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；
四. TCP/UDP对比
相同点：TCP和UDP都是网络层之上的，传输层协议，都能都能保护网络层的传输，双方的通信都需要开放端口，TCP和UDP中都存在复用和分用技术；
不同点：TCP是可靠传输的，UDP是不可靠传输的；
使用场景：
绝大部分场景下，都可以使用TCP，对于效率要求较高但对于可靠性要求不高的场景下，可以使用UDP，不过归根结底，还是要根据具体的需求去选择使用；