传输层协议——TCP、UDP
目录
1、UDP 协议（用户数据报协议）
协议特点
报文首部格式
2、TCP 协议（传输控制协议）
协议特点
报文首部格式
TCP连接建立时的三次握手
TCP拆除连接的四次挥手
TCP的流量控制
TCP的拥塞控制
3、传输层端口号
三类端口号
一些熟知端口号
| 协议类型 | 是否面向连接 | 是否可靠 | 传输效率 | 开销 | 通信方式 |
| UDP | 否 | 否 | 高 | 小 | 单点/多点 到 单点/多点 |
| TCP | 是 | 是 | 低 | 大 | 点到点 |
1、UDP 协议（用户数据报协议）
协议特点
- 无连接
- 面向报文
- 首部开销小（8字节）
- 尽最大努力交付，不保证可靠，不提供拥塞控制
- 支持 一 or 多 对 一 or 多 通信
报文首部格式
2、TCP 协议（传输控制协议）
协议特点
- 面向字节流（将应用层交下来的数据当成字节来处理，并对其进行相应的编号）
- 面向连接
- 每一条 TCP 连接只有两个端点（一对一的连接）
- 保证可靠交付
- 可以全双工通信
报文首部格式
源端口和目的端口的取值为0~65535；
序号（seq）表示本报文段的数据的第一个字节的序号，取值为 0 ~ 
- 1；
确认号（ack）表示期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号，取值为 0 ~ - 1；
数据偏移 表示TCP首部的长度，可以方便地识别出数据段的起始位置，最小长度为5（0101），单位是字节，则首部的最小长度为20字节；
紧急指针 当 URG 位为 1 时，此字段有效，并会指出需要紧急发送的数据；
填充字段 长度可变，用于确保TCP报文的首部长度为 4 字节的整数倍；
| 字段 | 占位 | 说明 |
| 控制字段 | URG（1bit） | 紧急位；当为1时表示有数据要紧急发送 |
| ACK（1bit） | 确认位；这里是大写，与确认号（小写ack）区分开来；当为1时确认字段有效，表示肯定应答 | |
| PSH（1bit） | 推送位；置为1时，立即发送TCP报文 | |
| RST（1bit） | 复位位；置为1时表示TCP连接有严重错误，需要重新建立连接；也可以用于拒绝一个连接 | |
| SYN（1bit） | 同步位；置为1时，表示正在建立一个TCP连接 | |
| FIN（1bit） | 终止位；置为1时，表示正在释放一个TCP连接 | |
| 窗口 | 16 bit | 接收空闲窗口值，用于实现TCP流量控制 |
TCP连接建立时的三次握手
三次握手的作用是为了避免产生错误的连接
主机 A 向服务器 B 发送 SYN 表示请求建立一个 TCP 连接，即便是没有数据，也要消耗一个 seq。此时直到没有收到目标服务器第一次回应前，主机 A 处于SYN-SENT 状态。
服务器 B 在没有接收到TCP连接请求前，属于 LISTEN 的监听状态。
服务器响应给主机 A SYN，表示也向主机 A 请求建立一个连接，ACK=1 表示同意了刚才主机 A 的连接请求，服务器 B 也要消耗一个 seq，seq = y，ack = x + 1，表示确认了刚刚主机发送过来的数据内容，并且提出期望，希望主机 A 下次发送消息给服务器 B 时的 seq 为 x + 1。此时服务器 B 需要等待主机 A 的响应，此时也转变到 SYN-SENT 状态。
主机 A 接收到服务器B的回应，再回应服务器 B ，ACK=1 表示确认了服务器 B 的TCP建立请求，响应服务B的期望，即便展示还没有数据，也发送一个seq，seq = x + 1，同时 ack = y + 1，也是对刚刚服务器 B 发送过来的内容的一个确认，同时也提出期望，希望服务型下次发送消息时的 seq 为 y + 1。同时将状态设置为 ESTABLISHED，表示已经建立起连接。
服务器 B ，收到主机 A 的响应，确认无误后也将状态设置为 ESTABLISHED，表示TCP连接成功建立。
此时主机 A 和服务器 B 已经建立起了一条TCP连接，双方可以正常进行数据传送。
| 状态 | 说明 |
| SYN-SENT | 发送了SYN请求，请求建立TCP连接的第一步 |
| LISTEN | 监听SYN报文的状态 |
| SYN-RCVD | 接收到SYN请求报文后的状态 |
| ESTABLISHED | TCP连接建立成功的状态 |
TCP拆除连接的四次挥手
当主机 A 发送 FIN = 1 （断开连接）标志后，它会进入 FIN-WAIT-1 状态，等待对方确认关闭。当主机收到对方的 ACK = 1（确认）标志后，主机 A 会进入 FIN-WAIT-2 状态。此时，主机 A 已经断开了到对方的连接，但尚未完全断开TCP连接，仍等待对方发送 FIN 标志以确认对方的关闭。
只有在主机 A 收到对方的 FIN 标志并发送 ACK 标志确认后，才会进入 TIME-WAIT 状态，此时主机才真正关闭了TCP连接。
| 状态 | 说明 |
| FIN-WAIT-1 | 发送了第一个 FIN 请求，等待对方确认 |
| FIN-WAIT-2 | 等待对方的 FIN 请求 |
| CLOSE-WAIT | 等待自己进程发出断开连接的命令 |
| LAST-ACK | 等待对方最后一次确认 |
| TIME-WAIT | 等待足够的时间，以确保对方接收到了确认 |
| CLOSED | 关闭状态 |
TCP的流量控制
流量控制是针对两端之间的通信的。考虑的是发送方和接收方之间的数据传输速率之间的差异。
TCP流量控制是通过可变大小的滑动窗口机制实现的。即 让数据发送端传输的速率不要太快，让数据接收端来得及接收。
数据传输窗口 win 在连接建立时由双方商定。但在通信的过程中，数据接收端可根据自己的资源情况，随时动态地调整对方的传输窗口大小。（上面经过协商后，窗口大小为3）
接收端将此窗口值放在 TCP 报文的首部中的窗口字段，传送给发送端。
接收方通常会在接收到数据后立即发送一个 ACK 报文，确认收到数据并通知发送方此时窗口的大小。如果接收方的缓冲区已满，它会将窗口大小设置为0，发送方就会停止发送数据。当接收方处理完数据后，它会将窗口大小设置为一个大于 0 的值，并发送 ACK 报文通知发送方，以便发送方继续发送数据。
TCP的拥塞控制
拥塞控制是针对整个网络的通信而言的，考虑的是网络中的各个路由器和线路的资源利用情况，以避免因过多的数据流量导致网络拥塞。
四种常见的拥塞控制方法：
- 慢开始
- 拥塞避免
- 快重传
- 快恢复
拥塞窗口（cwnd）：是发送方维护的一个状态变量，其大小取决于网络的拥塞程度，并且会动态变化；
慢开始门限（ssthresh）：为了防止拥塞窗口 cwnd 的增长过大而引起网络拥塞所设置的一个门限值；
| cwnd < ssthresh | 执行慢开始算法 |
| cwnd = ssthresh | 可以使用慢开始算法，也可以使用拥塞避免算法 |
| cwnd > ssthresh | 使用拥塞避免算法 |
慢开始：每经过一个传输轮次，cwnd 的值都会加倍，从小到大增大 cwnd；
拥塞避免：每经过一个传输轮次，cwnd 的值都会加 1，从小到大缓慢增大 cwnd；
快重传：接收方每收到一个失序报文段后就会立即发出重复确认 ACK，若发送方一连收到三个重复确认，就会立即重传对方尚未收到的报文段。因此能尽早重传未被确认的报文，而不是等待超时；
快恢复：当发送方连续收到三个重传确认 ACK 时，就执行乘法减小算法，把门限值减半（当前 cwnd值的一半），同时把 cwnd 值设置为减半后的门限值，并执行拥塞避免算法；
乘法减小：出现超时（可能是拥塞时），则 ssthresh 减半（当前 cwnd 值的一半），同时执行慢开始算法；
加法增大：执行拥塞避免算法，使 cwnd 增大；
如上图，初始慢开始门限为16，cwnd 从 1 开始，每当发送方接收到一个 ACK 确认报文时，都会使 cwnd 增大（在达到门限值前使用慢开始算法增大）。
[① ~ ②] 当到达门限值后，改用避免拥塞算法来缓慢增大 cwnd;
[② ~ ③] cwnd = 24 时发生超时，则门限减半，即 ssthresh = 12，然后下一次接收到 ACK 确认报文时，cwnd 从 1 开始，使用慢开始算法来递增；
[③ ~ ④] cwnd = 12 时，到达了门限，则改用拥塞避免算法缓慢递增；
[④ ~ ⑤] 到 ④ 时，cwnd = 16，发送方一连收到三个重复确认，则门限减为当前 cwnd 的一半，即 ssthresh = 8，而 cwnd 变为与门限值一致；
[⑤ ~] 由于cwnd = ssthresh，开始采用避免拥塞算法来进行增加；
3、传输层端口号
三类端口号
- 熟知端口 0 ~ 1023
- 登记端口 1024 ~ 49151
- 客户端口号 49152 ~ 65535
一些熟知端口号
| 端口号 | 服务类型 |
| TCP 20 | 文件传输协议（数据） |
| TCP 21 | 文件传输协议（控制） |
| TCP 23 | Telnet 终端仿真协议 |
| TCP 25 | SMTP 简单邮件发送协议 |
| TCP 80 | 超文本传输协议（HTTP） |
| TCP 110 | POP3 服务器（邮箱接收服务器） |
| TCP 443 | 安全超文本传输协议（HTTPS） |
| 端口号 | 服务类型 |
| UDP 53 | 域名服务器（DNS） |
| UDP 67 | DHCP（服务端） |
| UDP 68 | DHCP（客户端） |
| UDP 69 | 简单超文本传输协议（TFTP） |
| UDP 161 | SNMP（轮询） |
| UDP 162 | SNMP（陷阱） |
| UDP 520 | RIP 路由协议 |