传输层协议—网络

1.TCP

1.1TCP协议段格式

TCP：传输的数据的控制，可靠和效率是成反比：越可靠，效率越低，TCP是综合考虑了两者，取的一个均衡，不是保证绝对意义的可靠，也不是绝对意义的效率最高

1.2可靠机制

1.2.1确认应答机制

（1）发送的数据，接收端需要返回确认接收到数据报的应答

（2）数据会进行编号，并使用32位序号保存
（3）ack的标志位是1，会使用32位确认序号保存
（4）下一个是接受到的数据报连续序号的最大值+1（说明接收端将之前的数据全部接收到了）

1.2.2超时重传机制

（1）发送端超过一定的时限没有接收到ack应答包，就会进行重传
（2）这里的时限是动态变化的，与网络的环境有关，时限是成指数级增长的，重传达到一定的次数就会关闭连接
（3）没有接收到ack应答包，可能是发送数据丢包，也可能是ack应答丢包
（4）重传指的是数据包重新发送

1.2.3连接管理机制

1. 建立连接：三次握手（建立连接本质是双方保存了一个连接状态）
   流程：
   （1）客户端发送syn，申请建立客户端到服务端的连接；
   （2）服务端返回syn+ack，申请建立服务端到客户端的连接，其中ack是对第一个数据包的应答（注意：ack和syn可以合并一起发送，也可以分开发送，合并一起发送就是一个数据包，两个标志位置为1）；
   （3）客户端返回ack，对第二个数据包的应答；
   

2. 断开连接：四次挥手
   流程：
   （1）客户端发送syn到服务端，申请关闭客户端到服务端的连接
   （2）服务端返回ack，服务端的状态置为close_wait
   （3）服务端发送fin到客户端，申请关闭服务端到客户端的连接，客户端的状态置为time_wait
   （4）客户端返回ack，服务端状态置为closed，客户端等待一定的时间将状态置为closed
   

3. 重点问题：
   （1）双方的连接状态，为什么最后才是closed
   客户端接收到第三个数据报不能马上置为closed，因为第四个数据报可能会发生丢包（服务端无法断开连接），服务端就会根据超时重传机制重新发送第三个数据报，此时如果客户端是closed就无法接收了，双方都要保证可靠的关闭连接，如果是一端关闭，一端还存在就会出现藕断丝连的情况
   （2）第2,3个数据报为什么没有合并
   第二个数据报是系统内核返回的，不需要程序写代码来发送，而第三个数据报是程序调用close方法发送的（服务端在关闭连接前可能还需要做一些其他的工作）
   （3）第2,3个数据报是否可以合并
   将第二个数据报放在缓冲区（可能立即发也可能不是），对应的第三个数据报也是发送到缓冲区，此时，如果第二个数据报还在缓冲区就可能合并发送
   （4）服务端出现大量的close_wait的原因
   服务端没有执行close方法（因为只有执行了close才会发送第三个数据报）
   （5）客户端接收第三个数据报状态是time_wait需要等待多久
   2msl，1msl是单个报文传输的最大时间，需要等待的是第四个返回及可能的重传数据

1.2.4流量控制机制

（1）发送端发送速度如果快于接收端，程序读取速度就可能导致接收缓冲区被打断进而引起系统丢包，重传再次丢包的问题（程序读取指的是程序从缓冲区读取接收的数据）
（2）tcp协议首部：16位窗口大小指的是流量窗口大小
（3）接收端接收能力有限，主动告诉发送端自己的接收能力（接收能力指的是接收端接收缓冲区后剩余的空间大小，返回的ack应答包还会使用窗口大小字段来设置接收能力的大小）

1.2.5拥塞控制机制

（1）网络状态不明的情况下，贸然的发送大量的数据报就可能产生网络拥塞
（2）含义：发送端发送数据之前先根据“拥塞窗口”来进行探路（拥塞窗口是动态变化的）
（3）如何变化：从1开始，先指数增长，再线性增长，网络拥塞导致大量丢包后重置为1

1.3效率机制

1.3.1滑动窗口机制

（1）作用：以并发的方式发送数据报，减少等待时间（通过叠加等待时间），提高数据传输效率
（2）窗口大小指无需等待应答而可以继续发送的数据报最大值
（3）窗口大小确定：窗口大小=min(流量窗口大小，拥塞窗口大小)
（4）滑动窗口的大小决定吞吐率（一定时间网络数据传输数量越大，吞吐率越高）
（5）滑动窗口滑动的方式：可以滑动的位置是下一个序号的最大值减去窗口的起始位置（下一个是x代表接收端在x序号之前的数据报都已接收）
（6）已确认接收的数据都是保存在缓冲区的（发送端保存在发送缓存区（可能需要重传），接收端保存在接收缓冲区（可能需要去重））
（7）发生丢包的情况：
①ack丢包：没有影响，后续的ack也能表示序号前的全部接收
②发送的数据报丢包：接收的ack下一个序号是接收端，接收到的连续序号最大值+1（如果中间有部分没有接收到就相当于不连续）；快重传：连续3次接收到下一个是x就表示从x开始的数据报丢包，需要重传
（8）理解缓冲区：把网络数据传输理解为发快递对方返回一个应答

1.3.2延迟应答机制

（1）接收端返回流量窗口代表接收缓冲区的可用空间大小，如果立即返回流量窗口大小就会比较小，不划算（不划算的原因是接收端可能接收速度比较快，读走以后就可以设置的更大）
（2）接收端返回的流量窗口，不是立即返回而是等待一定的时间（等待一定的时间就是延迟应答的由来），这样返回的流量窗口大小就可能更大（流量窗口是滑动窗口大小的决定因素之一，而滑动窗口大小又是网络吞吐量的决定因素之一，所以是效率机制延迟时间应答效率就更高）
（3）延迟的条件是由数量和时间来限制（数量指的是每几个包）（时间指的是不能超过最大延迟时间，超过时间发送端就认为丢包会进行超时重传）

1.3.3捎带应答机制

不管是客户端还是服务端都既可以是发送端也可以是接收端，不管是客户端还是服务端接收到数据后返回的ack应答包（作为接收端），可以和发送的数据报（作为发送端）合并在一起发送给对方

1.4粘包问题（tcp问题，应用层的数据包）

1. 应用层需要约定统一的协议，明确包与包之间的边界
2. 没有明确边界就会出现粘包问题
   （1）在传输层，如果基于tcp协议，面向字节流，没有关闭流可以一直收发数据
3. 解决方案：明确包之间的边界
   （1）固定大小的包：读、写都按照固定大小来发送\接收
   （2）可变大小的包：发送时包含长度的信息，接收时就按照这个信息读取相应大小的数据，也可以使用分隔符
4. udp协议：因为是面向数据报（发送数据是一整块的发，接收也是一整块的收），固不存在粘包问题

2.UPD和TCP

2.1UPD和TCP的区别

2.2UDP问题

（1）基于传输层udp协议设计一个可靠的/大小不限的数据传输？
在应用层自己写代码来实现类似tcp的可靠机制：引入tcp类似的字段（序号、确认序号等），引入可靠机制（连接管理机制等）