计算机网络之传输层 1

（一）UDP和TCP的特点与区别

1、UDP

• 是无连接的
• 尽最大可能交付
• 没有拥塞控制
• 面向报文（对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分，只是添加 UDP 首部）
• 支持一对一、 一对多、多对一和多对多的交互通信

2、 TCP

• 是面向连接的
• 提供可靠交付
• 有流量控制，拥塞控制，提供全双工通信
• 面向字节流（把应用层传下来的报文看成字节流，把字节流组织成大小不等的数据块）
• 每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）

3、总结

• TCP 需要三次握手建立连接，四次挥手释放连接；UDP 不需要，面向无连接
• TCP 首部需要 20 个字节；而 UDP 首部只有 8 个字节
• TCP 具有一系列保证可靠传输的机制；而 UDP 尽最大努力交付，不提供可靠传输的机制，如果在数据传输的过程中出现部分数据的丢失，UDP 协议本身并不能做出任何检测或补救措施
• 正是由于 UDP 没有了可靠传输机制，所以速度远远快于 TCP，在某些情况下 UDP 是一种最有效的工作方式，一般用于即时通信，比如： 语音电话、 直播等等；而 TCP 一般用于文件传输、发送和接收邮件、远程登录等准确性要求比较高的场景

（二）UDP和TCP的首部格式

1、UDP

• UDP 首部字段只有 8 个字节，包括：
  • 源端口
  • 目的端口
  • 长度
  • 检验和
• UDP 由12 字节的伪首部，是为了计算检验和临时添加的

2、 TCP

• TCP首部比UDP复杂，有20字节的固定首部。包括：
  • 源端口
  • 目的端口
  • 序号：用于对字节流进行编号，例如序号为 301，表示第一个字节的编号为 301，如果携带的数据长度为 100 字节，那么下一个报文段的序号应为 401。
  • 确认号：期望收到的下一个报文段的序号。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段，序号为 501，携带的数据长度为 200 字节，因此 B 期望下一个报文段的序号为 701，B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。
  • 数据偏移：指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量，实际上指的是首部的长度。
  • 控制位（8位）：八位从左到右分别是 CWR，ECE，URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN。
    • CWR：CWR 标志与后面的 ECE 标志都用于 IP 首部的 ECN 字段，ECE 标志为 1 时，则通知对方已将拥塞窗口缩小；
    • ECE：若其值为 1 则会通知对方，从对方到这边的网络有阻塞。在收到数据包的 IP 首部中 ECN 为 1 时将 TCP 首部中的 ECE 设为 1；
    • URG：该位设为 1，表示包中有需要紧急处理的数据，对于需要紧急处理的数据，与后面的紧急指针有关；
    • ACK：该位设为 1，确认应答的字段有效，TCP规定除了最初建立连接时的 SYN 包之外该位必须设为 1；
    • PSH：该位设为 1，表示需要将收到的数据立刻传给上层应用协议，若设为 0，则先将数据进行缓存；
    • RST：该位设为 1，表示 TCP 连接出现异常必须强制断开连接；
    • SYN：用于建立连接，该位设为 1，表示希望建立连接，并在其序列号的字段进行序列号初值设定；
    • FIN：该位设为 1，表示今后不再有数据发送，希望断开连接。当通信结束希望断开连接时，通信双方的主机之间就可以相互交换 FIN 位置为 1 的 TCP 段。每个主机又对对方的 FIN 包进行确认应答之后可以断开连接。不过，主机收到 FIN 设置为 1 的 TCP 段之后不必马上回复一个 FIN 包，而是可以等到缓冲区中的所有数据都因为已成功发送而被自动删除之后再发 FIN 包；
  • 窗口：窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。之所以要有这个限制，是因为接收方的数据缓存空间是有限的。
  • 检验和
  • 紧急指针

（三）TCP的三次握手

1、 采用三次握手建立一个连接

• 假设 A 为客户端，B 为服务器端。 B 处于 LISTEN（监听）状态，等待客户的连接请求。
• （1）A 向 B 发送连接请求报文，SYN=1，ACK=0，选择一个初始的序号 x。
• （2）B 收到连接请求报文，如果同意建立连接，则向 A 发送连接确认报文，SYN=1，ACK=1，确认号为 x+1，同时也选择一个初始的序号 y。
• （3）A 收到 B 的连接确认报文后，还要向 B 发出确认，确认号为 y+1，序号为 x+1。
• B 收到 A 的确认后，连接建立。

2、为什么三次

• 客户端和服务端通信前要进行连接，“3次握手”的作用就是双方都能明确自己和对方的收、发能力是正常的。
• 第一次握手：客户端发送网络包，服务端收到了。这样服务端就能得出结论：客户端的发送能力、服务端的接收能力是正常的。
• 第二次握手：服务端发包，客户端收到了。这样客户端就能得出结论：服务端的接收、发送能力，客户端的接收、发送能力是正常的。从客户端的视角来看，我接到了服务端发送过来的响应数据包，说明服务端接收到了我在第一次握手时发送的网络包，并且成功发送了响应数据包，这就说明，服务端的接收、发送能力正常。而另一方面，我收到了服务端的响应数据包，说明我第一次发送的网络包成功到达服务端，这样，我自己的发送和接收能力也是正常的。
• 第三次握手：客户端发包，服务端收到了。这样服务端就能得出结论：客户端的接收、发送能力，服务端的发送、接收能力是正常的。第一、二次握手后，服务端并不知道客户端的接收能力以及自己的发送能力是否正常。
• 而在第三次握手时，服务端收到了客户端对第二次握手作的回应。从服务端的角度，我在第二次握手时的响应数据发送出去了，客户端接收到了。所以，我的发送能力是正常的。而客户端的接收能力也是正常的。
• 经历了上面的三次握手过程，客户端和服务端都确认了自己的接收、发送能力是正常的。之后就可以正常通信了。
• 每次都是接收到数据包的一方可以得到一些结论，发送的一方其实没有任何头绪。我虽然有发包的动作，但是我怎么知道我有没有发出去，而对方有没有接收到呢？

（四）TCP的四次挥手

1、 过程

• 客户端发送一个 FIN 段，并包含一个希望接收者看到的自己当前的序列号 K. 同时还包含一个 ACK 表示确认对方最近一次发过来的数据。
• 服务端将 K 值加 1 作为 ACK 序号值，表明收到了上一个包。这时上层的应用程序会被告知另一端发起了关闭操作，通常这将引起应用程序发起自己的关闭操作。
• 服务端发起自己的 FIN 段，ACK=K+1, Seq=L。
• 客户端确认。进入 TIME-WAIT 状态，等待 2 MSL（最大报文存活时间）后释放连接。ACK=L+1。

（五）为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？

• 1、TCP连接是双向传输的对等的模式，就是说双方都可以同时向对方发送或接收数据。当有一方要关闭连接时，会发送指令告知对方，我要关闭连接了。
• 2、这时对方会回一个ACK，此时一个方向的连接关闭。但是另一个方向仍然可以继续传输数据，也就是说，服务端收到客户端的 FIN 标志，知道客户端想要断开这次连接了，但是，我服务端，我还想发数据呢？我等到发送完了所有的数据后，会发送一个 FIN 段来关闭此方向上的连接。接收方发送 ACK确认关闭连接。
• 3、客户端发送了 FIN 连接释放报文之后，服务器收到了这个报文，就进入了 CLOSE-WAIT 状态。这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据，传送完毕之后，服务器会发送 FIN 连接释放报文。
• 4、因为服务端在 LISTEN 状态下，收到建立连接请求的 SYN 报文后，把 ACK 和 SYN 放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的 FIN 报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方是否现在关闭发送数据通道，需要上层应用来决定，因此，己方 ACK 和 FIN 一般都会分开发。

（六）TIME_WAIT

• 客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入此状态，此时并不是直接进入 CLOSED 状态，还需要等待一个时间计时器设置的时间 2MSL。
• 这么做有两个理由：
  • 确保最后一个确认报文能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文，那么就会重新发送连接释放请求报文，A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。
  • 等待一段时间是为了让本连接持续时间内所产生的所有报文都从网络中消失，使得下一个新的连接不会出现旧的连接请求报文。

（七） 总述

• 1、TCP 是一种面向连接的单播协议，在发送数据前，通信双方必须在彼此间建立一条连接。所谓的“连接”，其实是客户端和服务器的内存里保存的一份关于对方的信息，如 IP 地址、端口号等。
• 2、 TCP 可以看成是一种字节流，它会处理 IP 层或以下的层的丢包、重复以及错误问题。在连接的建立过程中，双方需要交换一些连接的参数。这些参数可以放在 TCP 头部。
• 3、 TCP 提供了一种可靠、面向连接、字节流、传输层的服务，采用三次握手建立一个连接；采用四次挥手来关闭一个连接。
• 4、 一个 TCP 连接由一个 4 元组构成，分别是两个 IP 地址和两个端口号。一个TCP连接通常分为三个阶段：启动、数据传输、退出（关闭）。
• 5、 当 TCP 接收到另一端的数据时，它会发送一个确认，但这个确认不会立即发送，一般会延迟一会（提供网络利用率这部分有讲到）。
• 6、 ACK 是累积的，一个确认字节号 N 的 ACK 表示所有直到 N 的字节（不包括 N）已经成功被接收了。这样的好处是如果一个 ACK 丢失，很可能后续的 ACK 就足以确认前面的报文段了。
• 7、 一个完整的 TCP 连接是双向和对称的，数据可以在两个方向上平等地流动。给上层应用程序提供一种双工服务。一旦建立了一个连接，这个连接的一个方向上的每个 TCP 报文段都包含了相反方向上的报文段的一个 ACK。
• 8、 序列号的作用是使得一个 TCP 接收端可丢弃重复的报文段，记录以杂乱次序到达的报文段。因为 TCP 使用 IP 来传输报文段，而IP 不提供重复消除或者保证次序正确的功能。
• 9、 另一方面，TCP 是一个字节流协议，绝不会以杂乱的次序给上层程序发送数据。因此 TCP 接收端会被迫先保持大序列号的数据不交给应用程序，直到缺失的小序列号的报文段被填满。