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标题: TCP与UDP的理解 [打印本页]
作者: 东湖之滨    时间: 2024-7-20 16:50
标题: TCP与UDP的理解
UDP协议

udp协议报头数据表格
16位源端标语16位目的端标语16位UDP长度16位UDP校验和数据2字节2字节2字节2字节最大2^16 - 1字节的数据 UDP协议的特点


UDP的应用以及杂项


TCP协议

TCP报头表格
16位源端标语16位目的端标语32位序列号32位确认号4位首部长度6位标记位16位窗口大小16位校验和16位告急指针数据2字节2字节4字节4字节4位6位2字节2字节2字节最大2^16 - 1字节的数据

TCP协议段格式解释和TCP过程详解

确认应答机制 – 序号和确认序号以及6位标记位中的ACK

序列号： TCP对其数据帧中每一个字节的数据都做了一个编号，发送方用这些序号标记哪些数据发送出去。
确认序号： 吸收方响应给发送方时，用确认序号告诉发送方，吸收方寂静收到了确认序号之前的那些数据，这个确认序号就告诉发送方，下一个数据应该从哪个序号开始发送。
ACK： 确认序号标记位，当ACK=1时，确认序号有用，当ACK=0时，确认序号无效。
值得注意的是，确认应答要保证前面的数据发已往了，也就是收到了ACK，才会继续发下一次的数据。

问，为什么不但用一个序号就够了吗？为何还需要确认序号呢？
答：因为TCP的链接现实不分客户端服务端，创建了链接之后就是双向平等的，别忘了，上面Server短发回去的也是一个完备的TCP报文，那这个报文的是不是也有本身的数据呢，那么这份数据也是需要序号的，否则单独拿一个TCP报文来应答不是很低效吗。
超时重传机制


网络发送中，丢包显然是常见的事，那么对UDP而言，其不可靠性决定了丢包了UDP是不管的。而TCP保证可靠性，以是如果对于主机A发送的数据没有收到应答，那么A不会直接发送后续的数据，而是等着应答，但是不可能一直等待吧，万一B主机根本没有收到呢？以是就需要超时重传。这一个不受到之前发送数据的应答，就不发送之后的数据，这一特点既有好处又有坏处。
问：超时重传的时间应该怎样确定？

连接管理机制 与标记位SYN,FIN,ACK

创建连接:TCP三次握手

过程形貌：
起首主机A向主机B发送连接哀求SYN（同时携带有数据，以是天然也有序号seq，序号的事不再提及）此时主机B收到，这是第一次握手；
后向主机B发送响应ACK，同时也发送SYN哀求A主机连接。当A主机收到，B的信息，这是第二次握手，此时A主机就以为连接已经创建好。
A主机创建好连接，并且发出响应给B主机，此时B主机收到ACK后，开始创建与A主机的连接。这是第三次握手。
许多教材大概网上乃至是AI都有对三次连接的生动形象的形貌，此篇不多提及，来看看几个问题来帮助理解三次握手。
问：为什么创建连接需要三次握手，一次，两次，大概四次吗？
答：一次握手不行，为什么？因为如果一次连接就可以，那么势必导致服务器端也就是上述的主机B在担当连接时，处于一种容易被平白无故消耗资源的地位，只要由单个连接来，就创建，这显然效率非常低下，再者倘若如此，和UDP的无连接差距并不明显。
两次握手不行吗？不行，缘故原由也很简单，一样的是对服务器端不公平，只要A主机发来哀求，B主机就要创建连接，那么这容易造成资源浪费。你可能会说在第二次握手时客户端A就创建了连接，那不是对客户端不公平？但是时客户端发起的连接哀求，以是客户端先创建连接是合理的。
那么四次呢？答案是可以的，但是没有须要，现实上理解三次握手就可以看作四次握手来理解。分别是A->B 的SYN，B->A 的ACK， B->A的 SYN ，A->B的ACK。那为什么是三次呢？缘故原由是B给A的ACK和SYN一次就发送了。以是就是我们看到的三次握手了。
问：为什么要有这种握手SYN_ACK机制？
答：因为网络之中，无论怎么发送，AB主机通讯，总是不能保证最新的那条消息对方收到了没。就如同QQ发消息一样（有些邮件类会表现对方已读，也就是对方未表现已读），对方没给你会消息，你就永远不知道对方看见你的上一条消息没，序号恰好用来解决这个问题。同时这也是为什么创建连接时需要三次握手，我总要保证对方在线吧。
断开连接:TCP四次挥手
理解了上面的三次握手骂我们来看四次挥手：

过程形貌：
主机A想主机B发送FIN的信号，告诉主机B要断开连接，B收到A的FIN信号，第一次次挥手；
这个时候主机B并没有雷同与之前的三次握手那样就直接发送ACK和FIN信号，而是先回应客户端ACK信号之后，然后让A主机收到，这是第二次挥手；
接着过了CLOSE_WAIT事后呢，这个时候主机B再向主机A发送FIN信号，告诉主机B断开连接。这是第三次挥手；
接着主机A发送给主机B响应之后，主机B收到就断开连接。但是主机A需要等待TIME_WAIT时间（一般是2*MSL）
一样来解答几个关键问题。
问：如果你理解了我提出的三次握手，那么为什么是四次挥手也无需多言，思考以下为什么会出现为四次挥手？因为CLOSE_WAIT需要等待一段时间。
为什么需要CLOSE_WAIT和TIME_WAIT这这两个等待时间呢？为什么不能直接和创建连接那样呢？
答：
TIME_WAIT的存在意义，1.TCP内里，规定TIME_WAIT是2个MSL(maximum segment lifetime),这个MSL指的是TCP报文最大生存时间，只要等待2MSL，2.就能保证传输大概发送的报文都在网络中消散干净，3.等待这么久，同时也使得对被动关闭方主机的ACK是否收到，如果没收到被动方也就是主机B可以再发一个FIN如许即使主机A的进程没了，但是连接还在久依旧能处理。试想以下如果没有这个，那么当服务器主动关闭后，就有可能再次收到之前进程的报文（而该报文大概率是错误的）。这里还值得一说的是，TCP的序号每次开始三次握手时会确定一个随机起始序号，也能一定程度上防止这种问题。
CLSOE_WAIT是用来干什么的呢？一般是表现有些数据呢，被动端还没有处理完毕，这个时候就会进行CLOSE_WAIT,一般来说CLOSE_WAIT状态时很短暂的。如果出现CLOSE_WAIT,大概率时没有正确关闭套接字，好比Svr没有去调用close久退出了进程。
滑动窗口与16位窗口大小

TCP常常说滑动窗口，那么什么是滑动窗口呢？用程序员比较熟悉的话说，就是在一段连续的数组空间就是滑动窗口，这个数据单个大小元素就是字节，而所谓的滑动窗口就是这段数组的部分区间。


由上述印象之后，我们来看几个问题。
为什么要搞滑动窗口？
因为TCP是确认应答机制，发一个字节需要确认之后再发送，不会显得效率很低吗？尤其是网络状态差时。TCP是要分身一定效率的。
通过发送滑动窗口区间的数据，就不需要确认应答，直接发送就行。收到最后部分数据，如上图的第9的那一部分发送后，接着发送下一部分。如果说中心有发送失败的，重发即可。
上述问题之后，我们考虑滑动窗口大小怎样确定？滑动窗口发已往的数据怎样确定次序呢？如果确定发完了呢?
怎样确定大小？三次握手的时候，彼此不都又SYN和ACK吗，这就是用 16位窗口大小 来确定彼此的滑动窗口的大小。怎样确定次序和这个窗口是否发完?毫无疑问就是序号，通过需要了确定这部分数据的次序即可，如许就在担当缓冲区确定了数据次序。最后一份数据的ACK就可以表现。
如过丢包了呢？数据包丢了怎样，ACK响应丢了又怎样？
如果是ACK丢包了，不影响，因为最后一份确认序号的ACK能表现之前的都收到了。如果是数据包呢？那么发送丢失的数据包的序列号哀求即可，好比上述图的5号丢失，那么吸收方只需要发送5的序号哀求即可。
流量控制

对于TCP，我们知道是全双工的，同时也有一个滑动窗口，那么如果发送方嘎嘎发，导致吸收方缓冲区满了怎么办？这种时候就需要流量控制。

吸收端怎样把窗口大小告诉发送端呢? 回忆我们的TCP首部中, 有一个16位窗口字段, 就是存放了窗口大小信息;
那么问题来了, 16位数字最大表现65535, 那么TCP窗口最大就是65535字节么?
现实上, TCP首部40字节选项中还包含了一个窗口扩大因子M, 现实窗口大小是 窗口字段的值左移 M 位
拥塞控制

虽然有了滑动窗口，但是依然不敷以应对复杂的网络环境。倘若网上有大量主机在使用网络，而你又在嘎嘎发数据，网络情况不是变得更差？
因此就有了慢启动，快增长，快速重传
TCP引入 慢启动 机制, 先发少量的数据, 探探路, 摸清当前的网络拥堵状态, 再决定按照多大的速率传输数据
此处引入一个概念程为拥塞窗口
发送开始的时候, 定义拥塞窗口大小为1;
每次收到一个ACK应答, 拥塞窗口加1;
每次发送数据包的时候, 将拥塞窗口和吸收端主机反馈的窗口大小做比较, 取较小的值作为现实发送的窗
口

少量的丢包, 我们仅仅是触发超时重传; 大量的丢包, 我们就以为网络拥塞;
当TCP通讯开始后, 网络吞吐量会逐渐上升; 随着网络发生拥堵, 吞吐量会立即降落;
拥塞控制, 归根结底是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方, 但是又要制止给网络造成太大压力的折中方案
耽误应答

如果吸收数据的主机立即返回ACK应答, 这时候返回的窗口可能比较小.
假设吸收端缓冲区为1M. 一次收到了500K的数据; 如果立即应答, 返回的窗口就是500K; 但现实上可能处理端处理的速率很快, 10ms之内就把500K数据从缓冲区消耗掉了;在这种情况下, 吸收端处理还远没有达到本身的极限, 即使窗口再放大一些, 也能处理过来;如果吸收端轻微等一会再应答, 好比等待200ms再应答, 那么这个时候返回的窗口大小就是1M;一定要记得, 窗口越大, 网络吞吐量就越大, 传输效率就越高. 我们的目的是在保证网络不拥塞的情况下尽量提高传输效率;
那么全部的包都可以耽误应答么?
肯定也不是
数量限制: 每隔N个包就应答一次;
时间限制: 凌驾最大耽误时间就应答一次;
具体的数量和超时时间, 依操作体系差别也有差别; 一般N取2, 超时时间取200ms;
捎带应答和面向字节省

捎带应答：每一份TCP报文既有确认序号，又有序号，也就是说既有收到的信息，也有发给对端的信息，这就是捎带应答，比方三次握手的第二次
面向字节省
创建一个TCP的socket, 同时在内核中创建一个 发送缓冲区 和一个 吸收缓冲区;调用write时, 数据会先写入发送缓冲区中;
如果发送的字节数太长, 会被拆分成多个TCP的数据包发出;
如果发送的字节数太短, 就会先在缓冲区里等待, 比及缓冲区长度差不多了, 大概其他符合的时机发送出
去;
吸收数据的时候, 数据也是从网卡驱动程序到达内核的吸收缓冲区;
然后应用程序可以调用read从吸收缓冲区拿数据;
另一方面, TCP的一个连接, 既有发送缓冲区, 也有吸收缓冲区, 那么对于这一个连接, 既可以读数据, 也可以写数据. 这个概念叫做 全双工
由于缓冲区的存在, TCP程序的读和写不需要逐一匹配, 比方:
写100个字节数据时, 可以调用一次write写100个字节, 也可以调用100次write, 每次写一个字节;
读100个字节数据时, 也完全不需要考虑写的时候是怎么写的, 既可以一次read 100个字节, 也可以一次
read一个字节, 重复100次;
粘包问题

TCP是面向字节省的，怎么分清楚数据与数据之间呢？
答案是明确两份数据之间的界限，比方基于此的http1.0，http1.1,http2.0等的应用层协议
TCP异常情况

进程停止/呆板重启：也就是正常关闭，正常走流程
呆板突然掉电/网线断开：那么担当端以为连接还在，一旦进行写操作就会发现，此时进行reset，也就是扣问这个连接是否还在，需要重新创建大概断开
TCP特点

可靠性：

TCP对比UDP

TCP不见得就比UDP好，很显然TCP为了可靠是付出了许多代价的。因此要根据场景来选择

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