深度挖掘《TCP与UDP》

UDP

UDP报文格式：报头（包含4个字段）+载核(应用层数据报)

源端口：数据从哪里来
目的端口：数据送到哪里去
报文长度：在传输数据时,单个报文段的最大长度
校验和：为保障数据正确性
注意：以上4个均为两字节，报文最大不能超过65536。

如果真的要传输一个数据量大的信息，UDP如何处理？

1. 可以把大的数据分成多个部分，使用多个UDP数据报进行传输
2. 直接使用TCP，TCP无限制

为什么要有校验和，没有行不行？
不行，首先校验和是为了保证数据的正确性，网络在传输时是不稳定的，传输使用的是电信号，电信号用0或1表示，当由于外界的影响导致电信号0->1或1->0是不可避免的。发送方把载核通过校验和算法计算出sum1,发送方把数据发送到接收方，当接受方收到数据时也采用相同的校验和算法计算出sum2，此时比较sum1和sum2的值是否相等判断数据发送的正确性。

TCP

TCP特性

• 有连接
• 可靠传输
• 面向字节流
• 全双工

TCP是如何实现的可靠传输？

TCP不是说，100%能够传过去，当传不过去的时候发送方知道自己没传过去，也就是说在接受方，收到或者没收到，会有个应答，此机制称为确认应答（ACK），实现可靠性的最核心机制！
一切顺利：使用确认应答保证可靠性
出现丢包，使用超时重传作为补充

序号和确认序号

当发送消息时还会产生后发先到的情况，为解决此问题我们可以添加编号（序列号）方式来确认，此时就引入了序号和确认序号。TCP针对每个字节进行编号注意，确认序号的规则，不是说，发送方的序号是啥就是啥，而是取得是发送方发过来的所有数据，最后一个字节的下一个字节的序号作为确认序号。确认序号的含义：小于确认序号的数据，我已收到。此时发送方就能知道那些数据接收到了。

为啥网络上会后发先至

TCP在传输时，因为面向字节流传输，一条完整数据分成每部分，每个部分数据走的路径不一样就会导致后发先到，TCP有一个接收缓冲区，TCP可以按序号针对收到的消息进行整队（这也是TCP序号的一个重要用途）。此时应用程序读数据，读到的一定是有序的了（和发送顺序一样）。

什么是丢包，如何解决丢包？

比如你正在打游戏此时画面卡成ppt，也就是说在传输数据时丢失了。丢包是指在网络传输过程中，数据包因为各种原因没有正确地到达目标地点，而丢失的现象。
在传输数据时，利用交换机和路由器每个设备都在承担很多转发任务，每个设备的转发能力是有上限的，当某一时刻某个设备流量达到峰值此时会引起丢包。
如果包丢了，此时接受方就接收不到了，也就不会返回ACK，发送方就迟迟拿不到应答报文，此时等待一段时间还没收到，则认为是丢包。此时就会重新发一遍也称为“超时重传”。

发送方对于丢包的判定，一段时间内没有收到ACK

1. 数据直接丢了，接收方没收到，自然不会发ACK
2. 接收方发送了ACK，但是返回的ACK丢了

由于发送方区分不了这两种情况，所以只能都重传。
当是第二种情况数据重发是非常严重的，但是TCP非常好的处理了此问题，它会在接收缓冲区中根据收到的数据的序号，自动去重。保证应用程序读到的数据只有一份。重传后的数据也是会导致丢包的，一旦连续丢包这种情况很大的可能是网络出现了严重的问题。
TCP针对多个包丢失，每次丢包超时等待时间就会变长（重传的频率变低了），连连续多次重传，都无法得到ACK，此时TCP就会尝试重置连接，如果重置连接也失效，TCP就会关闭连接，放弃网络通信。

TCP建立连接：三次握手

syn：称为同步报文段，一方向另一方申请建立连接
ack：应答信号

四次交互，为什叫三次握手？

因为上图中间部分服务器向客户端发送的ack和syn可以合并成一个。

三次握手起到什么效果？达到什么目标呢？

三次握手这个过程，验证了客服端和服务器，个资的发送能力和接收能力是否正常，也为可靠性做出了一份力。

四次握手行不行？

可以，中间部分服务器向客户端发送的ack和syn可以分开成两个分别发送，也就是四次握手。但是效率低于三次握手。

TCP断开连接：四次挥手

通信双方，各自给对方发送一个FIN（结束报文），在各自给对方返回ACK。

为什么三次握手100%合并，四次挥手概率合并？

ACK和FIN有一定概率合并成一个，但通常情况下不能合并。
三次握手：ACK和SYN是同一时机触发的（都是由内核完成的）
四次挥手：ACK和FIN是不同时机触发，ACK是内核完成的，会在收到FIN的时候第一时间返回，FIN则是应用程序代码控制，再调用socket的close方法的时候才会触发FIN，close的执行时机可能是很久也可能是立即取决于代码怎么写。
客户端进程结束了，但是TCP还会把TCP连接维护，直到四次挥手结束。

滑动窗口（效率机制）

想要提高效率，减少等待时间，可以采用批量发送（一次发多条数据，收到一个ACK就可以直接发下一条数据）。批量不是无限发送，是发送到一定程度，就等待ack，不等待直接发送的数据量是有上限的，而且是回来一个ack就立即发送下一条，相当于总的要批量等待的数据是一致的（滑动窗口大小）。

批量发送了四条数据，就等待着四个ack，白色区域就是等待窗口，当收到2001的ack就意味着1001～2000的这个数据得到了确认，此时就会立即发送5001～6000这个数据。

批量发送的过程中，如果出现丢包咋办？

这个图中相当于一半的ack都丢了，相当高的丢包率，这种情况啥事没有，对于可靠性没有影响，因为通过后一个ack能告诉我们前面ack虽然是丢了但是我收到了。若是程序 最后一个数据的ack丢失我们采用超时重传。

由于1001～2000的数据丢了，但是接收方依然索要的是1001的数据，而不是收到了2001～3000的数据，返回3001。当A收到多个索要1001这个数据，1A就重传此数据，当B收到了1001～2000的数据，B的返回ACK确认序号是7001，因为之前的数据我已经收到了。上述重传过程，丢了数据才重传，不丢不重传，整体速度比较快，重传过程也称为快速重传
滑动窗口和快速重传，是在大量数据的时采取的措施。

接收到的数据，先放到接收缓冲区，接下来应用程序通过socket里的InputStream来读了，代码中读出来的数据就从接收缓冲区删除了。

流量控制

首先并不是窗口越大越好，发的快会瞬间吧接收缓冲区打满，接下来发送的数据，就会丢包，这种情况得不偿失，还不如慢点。
通过流量控制，本质就是限制发送方的速度，ack报文里携带窗口大小这样的字段，这里写的值是建议发送方发送的窗口大小，直接拿接收缓冲区的剩余空间作为窗口大小。当缓冲区满了之后就暂停发送，但是每隔一段时间触发一个窗口探测报文。

拥塞控制

拥塞控制：衡量中间节点的传输能力，通过实验的方式，按照小的速率发送若不丢包则提高速率（扩大窗口大小），如果出现丢包，立即把速率调小，重复上述过程。此过程又称为动态平衡。

刚开始回给一个小的窗口值，每次翻倍式增长，当到一定阀值就会线性增长，当出现丢包就认为到达上限，此时又将窗口设成一个比较小的值。

实际发送方的窗口大小=min（流量控制窗口，拥塞控制窗口）

延时等待

延时等待：接受方不立即发送ACK，而是等待一会再发送从而提高效率。

假设立即返回的ACK中带有的窗口大小为n，如果稍微等待一下，在返回（这个过程中应用程序也在读取缓冲区中的数据）此时再返回的ACK，窗口大概率比立即返回的窗口大，此时就效率提升了。

捎带应答

捎带应答基于延时等待。

A发送请求，B立即做出确认应答，当B发送请求通过write写数据，通过一些代码执行到才返回，这俩时机不同，但是要是延时等待，就很有可能将ack和请求合并成一个发送。这也就是为什么四次挥手三次挥完的原因。

面向字节流—粘包问题

当A向给B连续发送多个应用层数据报，这些数据就都紧紧挤在B的缓冲区中，此时B应用程序在读数据的时候，就难以区分一个完整的应用层数据报，很容易读出半个报，多个报的情况。
解决方案：

1.定义分隔符，每一个数据报结尾以某个特定字符结尾
2.约定前四个字节，表示整个数据报长度。

关于异常情况

进程关闭/进程崩溃

进程没了，socket是文件，随之被关闭，但是连接还在仍然可以继续四次挥手。

主机关机（正常关闭）

先杀死所有进程，也会触发四次挥手，如果挥完更好，如果没挥完会对端进行重传fin，重传几次都没有ACK，此时尝试重连，如果还不行，直接进行释放连接

主机断电和网络断开

瞬间机器关了，来不及做任何挥手操作。
如果对方是发送方，对端就收不到ACK，此时进行超时重传=》重置连接=》释放连接。
如果对方是接收方，此时对端无法知道是否机器挂了，此时TCP内置心跳包（保活机制），发送方定期发生心跳包。

TCP和UDP的应用场景

绝大部分情况下都可以使用TCP
对于效率要求较高，但是对于不可靠性要求不高的情况下，如同一个机房内网之间的数据传输。