计算机网络——快速了解传输层协议

一、TCP和UDP的区别

传输层协议有两个——TCP和UDP，二者区别如下：

二、TCP

1.TCP报文段

• 序号Seq： 当TCP从进程接受数据字节时，就把它们存储在发送缓存中，并对每一个字节进行编号，编号的特点是编号不一定从0开始，一般会产生一个随机数作为第一个字节的编号，称为初始序号（ISN），范围是0～2^32-1。TCP每个方向的编号都是互相独立的。当字节都被编上号后，TCP就给每个报文段指派一个序号，序号就是该报文段中的第一个字节的编号。当数据到达目的地后，接收端会按照这个序号把数据重新排列，确保数据的正确性。
• 确认号Ack： 确认号是对发送端的确认信息，用它来告诉发送端这个序号之前的数据段都已经收到。
• 控制位： 这六位有着很重要的作用，TCP的连接、传输和断开都受这六个控制位的指挥。
  URG（紧急位）：紧急指针有效位
  ACK（确认位）：只有当ACK=1时，确认序列号o字段才有效；当ACK=0时，确认序列号字段无效。
  PSH（急迫位）：标志位为1时要求接收方尽快将数据段送达应用层。
  PST（重置位）：当PST值为1时通知重新建立TCP连接。
  SYN（同步（连接）位）：同步序号位，TCP需要 建立连接时 将这个值设为1。
  FIN（断开位）：发送端完成发送任务位，当TCP完成数据传输 需要断开连接时 ，提出断开连接的一方这个值设为1。

2.建立连接（三次握手）

确认号Ack是为了确认收到了对方的数据以及确认收到了正确的序列号Seq而设置的。

• 第一次握手： PC1向PC2发送一个SYN报文，请求建立连接，其中包括了Seq = x和SYN = 1。
• 第二次握手： PC2收到PC1的报文后，回复一个SYN+ACK报文，表示收到对方的请求，并请求建立连接，其中包括了Seq = y、Ack = x+1，SYN = 1，ACK = 1。
• 第三次握手： PC1收到PC2的报文后，回复一个ACK报文，表示确认收到，其中包括了Seq = y、Ack = x+1，SYN = 1，ACK = 1。
• 建立连接： PC2收到第三次握手报文之后，两个机器建立起连接。

• 为什么是三次不是两次： 试想一下，假如两次握手就建立起了连接。如果1端此前有一个请求建立连接的报文在发给2端的途中丢失了，超时重传机制会让1端重新发送一个报文，从而继续建立连接。但是，过了可能一段时间后，此前1端丢失的报文到达了2端，如果是两次握手，那么此时1和2端就会直接建立起连接，然后2端认为他们已经建立起了连接，但是1端又没有通信需求，因此2端就会进入不必要的等待状态中，这其实是一种资源上的浪费。

3.断开连接（四次挥手）

• 第一次挥手： client向server发送一个FIN报文，请求断开连接，其中包括了Seq = p和FIN = 1。
• 第二次挥手： server收到client的报文后，回复一个ACK报文，表示收到对方的请求，其中包括了Ack = p+1，ACK = 1。
• 第三次挥手： 由于此时server端可能还有数据没发送完，因此会继续发送数据，然后等发送完后，会向client发送一个FIN报文，请求断开连接，其中包括了Seq = q和FIN = 1。
• 第四次挥手： client收到报文后，回复一个ACK报文，表示收到对方的请求，其中包括了Ack = q+1，ACK = 1。然后client会进入超时等待状态，过了这个状态后二者断开连接。

• 为什么是四次： 多了第三次挥手，目的是为了确保server端数据能发送完，而不是在数据没发完的时候就断开连接。

• 为什么超时等待： 设定一个时间，如果在时间内server端没有因为没收到来自client端的报文而重新发起第三次挥手，则表明对方收到了client发过去的第四次挥手，就可以真正断开了，避免server陷入没必要的等待中。

4.TCP提供的支持

• 可靠性支持：

序列号：给每个字节提供序列编号。
确认应答：对于对方发送过来的数据进行带确认序号的确认应答。
超时重传：一定时间内没有收到确认，会进行超时重传。

• 效率支持（滑动窗口）：
  滑动窗口：通过滑动窗口机制提升通信效率，可以进行多个数据段的发送和确认应答等待。

• 流量控制（滑动窗口）：
  如果发送端一味地发送数据，当发送的数据量超出了接收方的接收能力时，就会导致数据因为来不及接收而丢失，因此需要进行流量控制。具体操作是，接收端向发送端通知自己可以接收数据的大小（窗口），发送方将会根据窗口大小控制数据的发送量。

• 拥塞控制（滑动窗口）：
  网络是有一定承受能力的，在网络拥堵时，如果如果突然发送一个较大的数据，就可能导致网络的瘫痪。因此TCP提供了一种慢启动算法，对发送的数据量进行控制。

在一开始，将拥塞窗口的大小设置为1个数据段（MSS最大数据分段），随着每一次发送数据并收到确认应答之后，窗口大小+1；
在每次发送数据时，会比较拥塞窗口大小和流量控制窗口大小，选一个更小值作为发送数据的窗口大小；
设置一个慢启动阈值，当拥塞窗口大于这个值时，将通过以下公式计算窗口放大比例：1个数据段的字节数^2/拥塞窗口大小的字节数。

三、UDP

• UDP报文段：

• UDP是面向无连接的，它可以随时发送数据，并且不会提供任何可靠机制，适用于以下场景：
  包总量较少的通信，比如DNS。
  视频、音频等多媒体即时通信，略微丢帧也没关系。
  广播、多播通信。

参考

《图解TCP/IP》
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