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TCP协议
- TCP协议段格式
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TCP原理
- 确认应答机制（安全机制）
- 超时重传机制（安全机制）
- 连接管理机制（安全机制）
- 滑动窗口（效率机制）
- 流量控制（安全机制）
- 拥塞控制（安全机制）
- 延迟应答（效率机制）
- 捎带应答（效率机制）
- 粘包问题
- TCP异常
- TCP小结
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UDP协议
- UDP协议端格式
- UDP的特点
- TCP/UDP对比
一、TCP协议
TCP，即Transmission Control Protocol，传输控制协议。人如其名，要对数据的传输进行一个详细的控制。
（一）、TCP协议段格式
- 源/目的端口号：表示数据是从哪个进程来，到哪个进程去；
- 32位序号/32位确认号：后面详细讲；
- 4位TCP报头长度：表示该TCP头部有多少个32位bit（有多少个4字节）；所以TCP头部最大长度是15 * 4 = 60
- 6位标志位:
- URG：紧急指针是否有效
- ACK：确认号是否有效
- PSH：提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
- RST：对方要求重新建立连接；我们把携带RST标识的称为复位报文段
- SYN：请求建立连接；我们把携带SYN标识的称为同步报文段
- FIN：通知对方，本端要关闭了，我们称携带FIN标识的为结束报文段
- 16位窗口大小：后面再说
- 16位校验和：发送端填充，CRC校验。接收端校验不通过，则认为数据有问题。此处的检验和不光包含TCP首部，也包含TCP数据部分。
- 16位紧急指针：标识哪部分数据是紧急数据；
- 40字节头部选项：暂时忽略；
（二）、TCP原理
TCP对数据传输提供的管控机制，主要体现在两个方面：安全和效率。
这些机制和多线程的设计原则类似：保证数据传输安全的前提下，尽可能的提高传输效率。
1、确认应答机制（安全机制）
TCP将每个字节的数据都进行了编号。即为序列号。
每一个ACK都带有对应的确认序列号，意思是告诉发送者，我已经收到了哪些数据；下一次你从哪里开始发。
2、超时重传机制（安全机制）
- 主机A发送数据给B之后，可能因为网络拥堵等原因，数据无法到达主机B；
- 如果主机A在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答，就会进行重发；
但是，主机A未收到B发来的确认应答，也可能是因为ACK丢失了；
因此主机B会收到很多重复数据。那么TCP协议需要能够识别出那些包是重复的包，并且把重复的丢弃掉。
这时候我们可以利用前面提到的序列号，就可以很容易做到去重的效果。
那么，如果超时的时间如何确定？
- 最理想的情况下，找到一个最小的时间，保证 "确认应答一定能在这个时间内返回"。
- 但是这个时间的长短，随着网络环境的不同，是有差异的。
- 如果超时时间设的太长，会影响整体的重传效率；
- 如果超时时间设的太短，有可能会频繁发送重复的包；
TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信，因此会动态计算这个最大超时时间。
- Linux中（BSD Unix和Windows也是如此），超时以500ms为一个单位进行控制，每次判定
- 超时重发的超时时间都是500ms的整数倍。
- 如果重发一次之后，仍然得不到应答，等待 2*500ms 后再进行重传。
- 如果仍然得不到应答，等待 4*500ms 进行重传。依次类推，以指数形式递增。
- 累计到一定的重传次数，TCP认为网络或者对端主机出现异常，强制关闭连接。
3、连接管理机制（安全机制）
在正常情况下，TCP要经过三次握手建立连接，四次挥手断开连接
服务端状态转化：
- [CLOSED -> LISTEN] 服务器端调用listen后进入LISTEN状态，等待客户端连接；
- [LISTEN -> SYN_RCVD] 一旦监听到连接请求（同步报文段），就将该连接放入内核等待队列中，并向客户端发送SYN确认报文。
- [SYN_RCVD -> ESTABLISHED] 服务端一旦收到客户端的确认报文，就进入ESTABLISHED状态，可以进行读写数据了。
- [ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT] 当客户端主动关闭连接（调用close），服务器会收到结束报文段，服务器返回确认报文段并进入CLOSE_WAIT；
- [CLOSE_WAIT -> LAST_ACK] 进入CLOSE_WAIT后说明服务器准备关闭连接（需要处理完之前的数据）；当服务器真正调用close关闭连接时，会向客户端发送FIN，此时服务器进入LAST_ACK状态，等待最后一个ACK到来（这个ACK是客户端确认收到了FIN）
- [LAST_ACK -> CLOSED] 服务器收到了对FIN的ACK，彻底关闭连接。
客户端状态转化：
- [CLOSED -> SYN_SENT] 客户端调用connect，发送同步报文段；
- [SYN_SENT -> ESTABLISHED] connect调用成功，则进入ESTABLISHED状态，开始读写数据；
- [ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1] 客户端主动调用close时，向服务器发送结束报文段，同时进入FIN_WAIT_1；
- [FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2] 客户端收到服务器对结束报文段的确认，则进入FIN_WAIT_2，开始等待服务器的结束报文段；
- [FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT] 客户端收到服务器发来的结束报文段，进入TIME_WAIT，并发出LAST_ACK；
- [TIME_WAIT -> CLOSED] 客户端要等待一个2MSL（Max Segment Life，报文最大生存时间）的时间，才会进入CLOSED状态。
4、滑动窗口（效率机制）
我们一次发送多条数据，就可以大大的提高性能（其实是将多个段的等待时间重叠在一起了）。
- 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值。上图的窗口大小就是4000个字节（四个段）。
- 发送前四个段的时候，不需要等待任何ACK，直接发送；
- 收到第一个ACK后，滑动窗口向后移动，继续发送第五个段的数据；依次类推；
- 操作系统内核为了维护这个滑动窗口，需要开辟 发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有应答；只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉；
- 窗口越大，则网络的吞吐率就越高；
5、流量控制（安全机制）
接收端处理数据的速度是有限的。如果发送端发的太快，导致接收端的缓冲区被打满，这个时候如果发
送端继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。
因此TCP支持根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度。这个机制就叫做流量控制（Flow Control）；
- 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 "窗口大小" 字段，通过ACK端通知发送端；
- 窗口大小字段越大，说明网络的吞吐量越高；
- 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端；
- 发送端接受到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度；
- 如果接收端缓冲区满了，就会将窗口置为0；这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端。
接收端如何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位数字最大表示65535，那么TCP窗口最大就是65535字节么？
实际上，TCP首部40字节选项中还包含了一个窗口扩大因子M，实际窗口大小是 窗口字段的值左移 M位；
6、拥塞控制（安全机制）
虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器，能够高效可靠的发送大量的数据。但是如果在刚开始阶段就发送大量的数据，仍然可能引发问题。
因为网络上有很多的计算机，可能当前的网络状态就已经比较拥堵。在不清楚当前网络状态下，贸然发送大量的数据，是很有可能引起雪上加霜的。
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度传输数据；
- 当TCP开始启动的时候，慢启动阈值等于窗口最大值；
- 在每次超时重发的时候，慢启动阈值会变成原来的一半，同时拥塞窗口置回1；
少量的丢包，我们仅仅是触发超时重传；大量的丢包，我们就认为网络拥塞；
当TCP通信开始后，网络吞吐量会逐渐上升；随着网络发生拥堵，吞吐量会立刻下降；
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，但是又要避免给网络造成太大压力的折中方案。
7、延迟应答（效率机制）
如果接收数据的主机立刻返回ACK应答，这时候返回的窗口可能比较小。
- 假设接收端缓冲区为1M。一次收到了500K的数据；如果立刻应答，返回的窗口就是500K；
- 但实际上可能处理端处理的速度很快，10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了；
- 在这种情况下，接收端处理还远没有达到自己的极限，即使窗口再放大一些，也能处理过来；
- 如果接收端稍微等一会再应答，比如等待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。我们的目标是在保证网络不拥塞的情况下尽量提高传输效率；
那么所有的包都可以延迟应答么？肯定也不是；
- 数量限制：每隔N个包就应答一次；
- 时间限制：超过最大延迟时间就应答一次；
8、捎带应答（效率机制）
在延迟应答的基础上，我们发现，很多情况下，客户端服务器在应用层也是 "一发一收" 的。意味着客户端给服务器说了 "How are you"，服务器也会给客户端回一个 "Fine, thank you"；
那么这个时候ACK就可以搭顺风车，和服务器回应的 "Fine，thank you" 一起回给客户端
（三）、粘包问题
[八戒吃馒头例子]
- 首先要明确，粘包问题中的 "包" ，是指的应用层的数据包。
- 在TCP的协议头中，没有如同UDP一样的 "报文长度" 这样的字段，但是有一个序号这样的字段。
- 站在传输层的角度，TCP是一个一个报文过来的。按照序号排好序放在缓冲区中。
- 站在应用层的角度，看到的只是一串连续的字节数据。
- 那么应用程序看到了这么一连串的字节数据，就不知道从哪个部分开始到哪个部分，是一个完整的应用层数据包
那么如何避免粘包问题呢？归根结底就是一句话，明确两个包之间的边界。
- 对于定长的包，保证每次都按固定大小读取即可；例如上面的Request结构，是固定大小的，那么就从缓冲区从头开始按sizeof（Request）依次读取即可；
- 对于变长的包，可以在包头的位置，约定一个包总长度的字段，从而就知道了包的结束位置；
- 对于变长的包，还可以在包和包之间使用明确的分隔符（应用层协议，是程序猿自己来定的，只要保证分隔符不和正文冲突即可）；
（四）、TCP异常情况
进程终止：进程终止会释放文件描述符，仍然可以发送FIN。和正常关闭没有什么区别。
机器重启：和进程终止的情况相同。
机器掉电/网线断开：接收端认为连接还在，一旦接收端有写入操作，接收端发现连接已经不在了，就会进行reset。即使没有写入操作，TCP自己也内置了一个保活定时器，会定期询问对方是否还在。如果对方不在，也会把连接释放。
另外，应用层的某些协议，也有一些这样的检测机制。例如HTTP长连接中，也会定期检测对方的状态。
例如QQ，在QQ断线之后，也会定期尝试重新连接。
（五）、TCP小结
为什么TCP这么复杂？因为要保证可靠性，同时又尽可能的提高性能。
可靠性：
- 校验和
- 序列号（按序到达）
- 确认应答
- 超时重发
- 连接管理
- 流量控制
- 拥塞控制
提高性能：文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-767611.html
- 滑动窗口
- 快速重传
- 延迟应答
- 捎带应答
二、 UDP协议
（一）、 UDP协议端格式
文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-767611.html
- 16位UDP长度，表示整个数据报（UDP首部+UDP数据）的最大长度；
- 如果校验和出错，就会直接丢弃；
（二）、UDP的特点
- 无连接
- 不可靠
- 面向数据报
- 缓冲区
- 大小受限
（三）、TCP/UDP对比
- TCP用于可靠传输的情况，应用于文件传输，重要状态更新等场景；
- UDP用于对高速传输和实时性要求较高的通信领域，例如，早期的QQ，视频传输等。另外UDP可以用于广播；
到了这里，关于TCP、UDP协议详解（干货！！！）的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！
