网络协议：传输层之UDP与TCP

目录
一，UDP
二，TCP
三，TCP之可靠传输
四，TCP之序号和确认号
五，TCP之流量控制
六，TCP之拥塞控制
七，TCP之连接管理
八，Wireshark

一，UDP

1，介绍

• UDP是User Datagram Protocol的缩写，表示用户数据报协议
• 是一种无需连接就可以发送数据的传输协议
• 无连接的优点：首部占用空间小，传输速率快、资源消耗小
• 无连接的缺点：不可靠传输，尽最大努力交付，可能丢包

2，首部

• 4个部分各占2个字节
• 长度：首部长度 + 数据长度

3，端口号

• 取值范围：0 ~ 65535（16位都为1）
• 客户端的端口号是临时随机开启的
• 下面是服务端常用的端口号
• netstat –an：查看被占用的端口号

4，检验和

• 计算内容：伪首部 + 首部 + 数据
• 伪首部：源IP地址、目的IP地址、保留、协议类型（17表示UDP）、长度
• 伪首部只用于计算检验和，不会传递给网络层

二，TCP

1，介绍

• TCP是Transmission Control Protocol的缩写，表示传输控制协议
• 是一种需要建立连接才能发送数据的传输协议
• 面向连接的优点：可靠传输，不丢包
• 面向连接的缺点：首部占用空间大，传输速率慢、资源消耗大

2，首部

• 端口号（4个字节）：与UDP相同
• 序号（4个字节）：下面单独讲解
• 确认号（4个字节）：下面单独讲解
• 数据偏移（4位）：下面单独讲解
• 保留（6位）：保留
• 标志位（6位）：下面单独讲解
• 窗口（2个字节）：告知对方下一次允许发送的数据大小
• 检验和（2个字节）：与UDP相同
• 紧急指针（2个字节）：指向紧急数据在报文段中结束的位置

3，数据偏移

• 表示首部长度
• 首部长度 = 固定部分（20个字节） + 选项部分（40个字节）
• 取值范围：0x0101（十进制为5） ~ 0x1111（十进制为15）
• 首部长度 / 4 = 十进制

4，标志位

• URG（Urgent）：当URG=1时，紧急指针才有效。表示当前报文段中有紧急数据，应优先尽快传送
• ACK（Acknowledgment）：当ACK=1时，确认号才有效
• PSH（Push）：当PSH=1时，表示接收端需要尽快将数据传递给应用层处理，不要在缓存区排队
• RST（Reset）：当RST=1时，表示连接出现严重错误，必须释放连接，然后重新建立连接
• SYN（Synchronization）：与ACK结合使用。当SYN=1、ACK=0时，表示请求建立连接；当SYN=1、ACK=1时，表示同意建立连接
• FIN（Finish）：当FIN=1时，表示数据已经发送完毕，请求释放连接

5，核心要点

• 可靠传输
• 流量控制
• 拥塞控制
• 连接管理

三，TCP之可靠传输

1，停止等待ARQ协议

• ARQ是Automatic Repeat-reQuest的缩写，表示自动重传请求
• 作用：发送一个分组就停止发送等待确认
• 一个分组可以是100个字节，也可以是1000个字节

2，连续ARQ协议和滑动窗口协议

• 作用：发送窗口中的分组连续发送，发送完后，停止等待确认
• 发送窗口的大小是由接收端来决定的
• 如果M3丢失，接收端会确认M2，发送端会重新发送M3和M4

3，SACK

• 介绍

1>SACK是Selective Acknowledgment的缩写，表示选择性确认
2>普通确认：如果M3丢失，发送端会重新发送M3和M4
3>选择性确认：如果M3丢失，发送端只会重新发送M3
4>SACK信息存放在首部的选项部分中

• 信息

1>Kind（1个字节）：值固定为5，表示SACK选项
2>Length（1个字节）：SACK选项占用的字节数
3>Left Edge（4个字节）：左边界
4>Right Edge（4个字节）：右边界

• 实例

1>首部的选项部分最多40个字节，减去Kind和Length，只有38个字节可以存放边界信息
2>一组边界信息占用8个字节，SACK选项最多可以携带4组边界信息
3>SACK选项最大占用字节数为34（4 * 8 + 2）

4，注意点

• 当重传超过一定次数时，就会发送reset（RST）报文来断开连接

• 网络层有分片功能，为何在传输层还要分段？

1>可靠传输是在传输层进行控制的
2>如果在传输层不分段，一旦出现数据丢失，所有数据都得重传
3>如果在传输层分了段，一旦出现数据丢失，只需重传丢失的段

四，TCP之序号和确认号

1，说明

• 序号（Sequence Number）：这一次发送给对方的数据第一个字节的编号
• 确认号（Acknowledgment Number）：期望对方下一次发送过来的数据第一个字节的编号

2，发送单个分组

• ACK号：确认号

3，发送多个分组

• Seq：序号
• ack：确认号
• ACK：标志位

4，初始值

• 序号并不是从1开始的，1只是一个相对值
• 在建立连接时，通信双方会交换各自的序号初始值
• 在收发数据时，序号和确认号会在初始值的基础上进行累加

五，TCP之流量控制

1，说明

• 接收端的缓存区大小有限，需要控制发送端发送数据的速度
• 接收端会通过确认报文中的窗口字段，来告知发送端下一次可以发送多少数据
• 如果接收端的缓存区满了，会将窗口大小设置为0，发送端就停止发送数据
• 如果接收端的缓存区又有空间了，会再次发送一个确认报文告知发送端

2，图解

• rwnd（receive window）：接收窗口

六，TCP之拥塞控制

1，介绍

• 防止过多的数据注入到网络中，避免网络中的链路过载
• 它是一个全局性的过程，是所有主机共同努力的结果
• 相比而言，流量控制是点对点通信的控制

2，控制方法

• 慢开始
• 拥塞避免
• 快重传
• 快恢复

3，慢开始

• MSS（Maximum Segment Size）：段长度的最大值
• swnd（send window）：发送窗口
• rwnd（receive window）：接收窗口
• cwnd（congestion window）：拥塞窗口
• swnd = min（rwnd，cwnd），发送窗口大小是由接收窗口大小和拥塞窗口大小共同决定的
• cwnd的初始值比较小，然后每收到一个确认报文cwnd就乘以2（指数级增长），swnd也会随着变大

4，拥塞避免

• ssthresh（slow start threshold）：慢开始阈值
• 在慢开始阶段，cwnd呈指数级增长，达到阈值后，进入拥塞避免阶段，cwnd呈线性增长（加法增大）
• 当网络出现拥塞时，将阈值减小为拥塞峰值的一半（乘法减小），同时重新执行慢开始算法（将cwnd恢复到初始值）
• 当网络频繁拥塞时，阈值会越来越小，cwnd的增长速度就会越来越慢

5，快重传

• 接收端：当收到一个失序的分组时就立即发出确认报文，让发送端及时知道有分组丢失，而不要等待自己发送数据时才进行确认
• 发送端：当连续收到3个重复确认时（总共有4个相同的确认），就立即重传丢失的分组，而不必等待重传计时器到时再重传

6，快恢复

• 当发送端连续收到3个重复确认时，说明网络出现拥塞
• 当网络出现拥塞时，将阈值减小为拥塞峰值的一半（乘法减小），同时直接执行拥塞避免算法（将cwnd设置为新的阈值）
• 慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复结合使用，拥塞控制的效果才最好

七，TCP之连接管理

1，建立连接（三次握手）

• 图解

• 状态

客户端
1>CLOSED（关闭）：在连接之前处于该状态
2>SYN-SENT（同步已发送）：在发送连接请求之后进入该状态
3>ESTABLISHED（连接已建立）：在发送第三次确认之后进入该状态

服务端
1>LISTEN（监听）：在连接之前处于该状态
2>SYN-RCVD（同步已接收）：在确认连接请求之后进入该状态
3>ESTABLISHED（连接已建立）：在接收第三次确认之后进入该状态

• 握手

第一次
1>SYN=1（标志位）：这是一个同步请求
2>ACK=0（标志位）：无确认号信息
3>seq=x（序号）：将自己的序号初始值告知服务端

第二次
1>SYN=1（标志位）：这是一个同步请求
2>ACK=1（标志位）：有确认号信息
3>seq=y（序号）：将自己的序号初始值告知客户端
4>ack=x+1（确认号）：期望客户端下一次发送过来的数据是从x+1开始的

第三次
1>ACK=1（标志位）：有确认号信息
2>seq=x+1（序号）：这一次发送给服务端的数据是从x+1开始的
3>ack=y+1（确认号）：期望服务端下一次发送过来的数据是从y+1开始的

⚠️注意⚠️：在握手过程中，报文中的数据部分都为0，序号和确认号只是一个形式而已

• 首部

1>前两次握手会用到首部的选项部分
2>选项部分中存放的是双方需要交换的信息
3>信息包含：段长度的最大值、窗口缩放系数、是否支持SACK
4>窗口大小 = 首部窗口字段中的值 * 窗口缩放系数

• 问题

为何需要三次握手，两次不行吗？
1>假设客户端发送的第一个连接请求，由于网络原因迟迟没有到达服务端，这时客户端就会发送第二个连接请求
2>如果在第二个连接请求正常结束之后，第一个连接请求才到达服务端，这时服务端会认为这是一个新的连接请求，于是向客户端发送确认报文，同意此次连接
3>如果是两次握手的话，那么该连接就建立完成了，此时服务端会等待客户端发送数据请求
4>对应客户端来说，这是一个无效连接，并不会给服务端发送数据请求，这样服务端的资源就白白浪费了

第三次握手失败了会怎么处理？
1>如果服务端没有收到客户端的ACK报文，就会重发SYN+ACK报文
2>如果重发多次还是收不到ACK报文，服务端就会发送reset（RST）报文强制关闭连接

2，释放连接（四次挥手）

• 图解

• 状态

客户端
1>ESTABLISHED（连接已建立）：在释放连接之前处于该状态
2>FIN-WAIT-1（终止等待1）：在发送释放连接请求之后进入该状态
3>FIN-WAIT-2（终止等待2）：在接收确认之后进入该状态
4>TIME-WAIT（时间等待）：在确认释放连接请求之后进入该状态
5>CLOSED（关闭）：在等待2MSL之后进入该状态

服务端
1>ESTABLISHED（连接已建立）：在释放连接之前处于该状态
2>CLOSE-WAIT（关闭等待）：在确认释放连接请求之后进入该状态
3>LAST-ACK（最后确认）：在发送释放连接请求之后进入该状态
4>CLOSED（关闭）：在接收确认之后进入该状态

• 挥手

第一次
1>FIN=1（标志位）：这是一个释放连接的请求
2>ACK=1（标志位）：有确认号信息
3>seq=u（序号）：这一次发送给服务端的数据是从u开始的
4>ack=v（确认号）：期望服务端下一次发送过来的数据是从v开始的

第二次
1>ACK=1（标志位）：有确认号信息
2>seq=v（序号）：这一次发送给客户端的数据是从v开始的
3>ack=u+1（确认号）：期望客户端下一次发送过来的数据是从u+1开始的

第三次
1>FIN=1（标志位）：这是一个释放连接的请求
2>ACK=1（标志位）：有确认号信息
3>seq=w（序号）：这一次发送给客户端的数据是从w开始的
4>ack=u+1（确认号）：期望客户端下一次发送过来的数据是从u+1开始的

第四次
1>ACK=1（标志位）：有确认号信息
2>seq=u+1（序号）：这一次发送给服务端的数据是从u+1开始的
3>ack=w+1（确认号）：期望服务端下一次发送过来的数据是从w+1开始的

⚠️注意⚠️：在挥手过程中，报文中的数据部分都为0，序号和确认号只是一个形式而已

• MSL

1>MSL是Maximum Segment Lifetime的缩写，表示段生存期的最大值
2>生存期是报文在网络上的生存时间，MSL一般为2分钟
3>本次连接的的报文都会在2MSL（4分钟）内消失

• 问题

客户端为何要等待2MSL再关闭？
1>如果因为网络原因没有收到客户端的ACK报文，服务端就会重发FIN报文
2>如果客户端不等待而直接关闭的话，会存在两个问题
3>第一：服务端得不到任何的回应，会一直等待甚至多次重发FIN报文，白白浪费资源
4>第二：客户端刚好有一个新的应用程序分配了同一个端口号，新的应用程序就会收到FIN报文，然后开始执行释放连接的操作，本来它可能打算跟服务端建立连接的

为何要进行四次挥手？
1>第一次：表示客户端告诉服务端已经没有数据要发送了，但是客户端还是可以接收服务端的数据
2>第二次：表示服务端已经知道客户端没有数据要发送了，但是服务端还是可以给客户端发送数据
3>第三次：表示服务端告诉客户端已经没有数据要发送了
4>第四次：表示客户端已经知道服务端没有数据要发送了
5>在双方都知道对方没有数据要发送之后，连接才能释放

为何有时是三次挥手？
1>当服务端收到客户端的FIN报文时，如果还有数据要发送给客户端，那么服务端就会先发送ACK报文，然后等待数据都发送完毕了再发送FIN报文，这时就是四次挥手
2>当服务端收到客户端的FIN报文时，如果没有数据要发送给客户端，那么服务端就会直接发送FIN+ACK报文（第二次与第三次合并），这时就是三次挥手

八，Wireshark

网络抓包工具

1，UDP

• Source Port：源端口号
• Destination Port：目标端口号
• Length：长度
• Checksum：检验和

2，TCP首部

• 首部

1>Source Port：源端口号
2>Destination Port：目标端口号
3>Sequence number：序号（未加初始值）
    Sequence number（raw）：序号（已加初始值）
4>Acknowledgment number：确认号（未加初始值）
    Acknowledgment number（raw）：确认号（已加初始值）
5>Header Length：数据偏移（首部长度）
6>Flags：标志位
7>Window size value：窗口
    Calculated window size：窗口大小（窗口 * 缩放系数）
8>Checksum：检验和
9>Urgent pointer：紧急指针
10>Options：选项部分

• 标志位

前面6位是保留位

• 选项部分

1>Maximum segment size：段长度的最大值
2>Window scale：窗口缩放系数
3>SACK permitted：支持SACK

3，TCP通信

• 三次握手

• 数据传输

• 四次挥手