传输层（一）UDP协议与TCP协议

传输层是整个网络体系结构中的关键层次之一，主要负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。由于一个主机同时运行多个进程，因此运输层具有有复用和分用功能。传输层在终端用户之间提供透明的数据传输，向上层提供可靠的数据传输服务。传输层在给定的链路上通过流量控制、分段/重组和差错控制来保证数据传输的可靠性。传输层的一些协议是面向链接的，这就意味着传输层能保持对分段的跟踪，并且重传那些失败的分段。

传输层负责端对端的传输，不论是TCP协议还是UDP协议都是和端口有着联系

端口号

端口的划分：uint16_t （0~2^16）

• 知名端口

http：80
https：443
ssh服务：22
ftp服务：21
Telnet服务：23

• 非知名端口

mysql：3306
oracle：1521

知名端口的查看

cat /etc/services

传输层UDP协议

• 特点

无连接，不可靠，面向数据报

无连接：知道端口的ip和端口号就可以直接进行传输，不需要建立连接
不可靠：没有确认应答和重传机制。如果数据在传输的过程中发生丢失，UDP协议也不会给应用层返回任何错误的信息
面向数据报：对于信息只能整条发送与整条接收，不会存在两条数据并存在缓冲区中。也就不存在粘包问题

• UDP协议的报头

源端口（2字节）+ 目的端口（2字节）+ 数据长度（最大可表示的字节数2^16 – 65536）+ 校验和

网络抓包

• 抓包的命令

sudo tcpdump -i any port 19999 -s 0 -w 1.dat

然后在Windows下的wireshark中打开后：

可以看到只有数据发送的过程，没有连接

数据长度

uint16_t：最大的数值是65536，也就是说UDP协议单次传输的数据最大长度时65536个字节
UDP协议在传输数据的时候，不会出现粘包问题的，因为他的收发缓冲区一次只能存在一条数据

• 一次传输的数据小于65536时，选择直接传送就可以了
• 当一次传输的数据大于65536时，就需要在应用层进行拆分，向数据分为小于65536的几部分，然后按照顺序依次发送给对端即可

当应用层一次需要传输的数据大于2^16时，我们就需要在应用层进行分片传输。就是说在应用层的时候，就将大于2 ^16的数据进行拆分，分多次使用UDP协议进行传输

因为UDP协议的特性是面向数据报，数据都是整条整条的传输，所以在拆分后认为应用层传输的每一条数据都是一个完整的UDP数据报

所以说，对于接受端接受UDP数据的进程而言，从协议栈中的传输层中的UDP接受的数据可能并不是一个完整的数据。为了解决数据传输不完整的问题，数据发送双方需要在应用层的时候就定制自定义协议，标识着应用层数据的长度和判断数据是否完整

校验和

因为UDP协议在传输数据的时候可能存在丢失的情况，所以就用校验和来判断UDP数据在传输的过程中是否发生损坏

• 发生损坏，直接丢弃数据报，不会传递给应用层
• 没有损坏，在应用层调用recvfrom的时候，将数据报提交给应用层

校验和的计算

将UDP的数据报分成多个16位的数据，除了检验和不进行相加外，其他数据进行加运算
伪头部（源IP + 目的IP + UDP的协议号(17) + 数据长度）+ UDP头部（源端口 + 目的端口 + 数据长度） + 所有需要发送的数据

在计算的时候，因为都是16位的数据进行相加，所有很容易出现溢出的情况，这个时候就需要进行回卷。

因为两个16位的数据进行相加，最多只能溢出一位，就变成了17位数据。那么回卷就是把这个17位的数据分成最高位 + 低16位两部分，再把这两部分进行相加，这就是新的结果

在计算校验和的时候，就是把所有加起来的结果进行反码运算，最后这个反码运算的结果就是16位的校验和。

所以说，校验和 和 其他所有数据相加的结果就是 FFFF

UDP缓冲区

1. 缓冲区中对应应用层的数据，都是整条发送与整条接收的
2. 对于发送而言，应用层先使用sendto接口将数据提交到传输层的UDP发送缓冲区中，然后打上UDP协议的报头，就可以直接交给网络层进行下一步传输了
3. 对于接收而言，应用层使用recvfrom接口将数据从传输层的接收缓冲区中拷贝到应用层，UDP接收缓冲区不保证数据的有序到达，也不保证可靠性；
4. 当接收缓冲区满的时候，从网卡中接收的UDP数据报就会被丢弃，然后内核会返回一个EMSGSIZE错误

UDP的应用

DNS，域名解析协议。将域名转换为IP地址的时候，使用UDP协议

TCP协议

• 特点

面向连接，可靠的传输，面向字节流

面向连接：使用TCP协议进行通信的双方在通信之前必须建立连接，然后才可以进行通信。TCP连接是一个全双工的，也就是通信双方可以互相进行发送和接收数据。(三次握手)

可靠的传输：TCP协议有一个确认应答与超时重传的机制，当数据在传输的过程中丢失的话，对端就不会进行确认，等到一个时间段后发送端就会重新发送这个数据。

面向字节流：发送端与接收端进行读写数据之间没有任何数量关系，发送端多次待发送的数据可以一起放在发送缓冲区中，接收端可以一下全部接受

• TCP协议段格式

源/目的端口号：表示数据从哪里来，到哪里去

32位序号/32位确认号：确认应答机制

4位TCP报头长度：表示TCP的头部有多少个32位数据（四个字节），所以TCP头部的最大长度时 15 * 4 = 60

6个标志位

• 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，携带RST标识的称为复位报文段
• SYN：请求建立连接，携带SYN标识的称为同步报文段
• FIN：通知对方，这个端口要关闭了，称携带FIN标识的称为结束报文

16位窗口大小：两个字节数据，窗口表示的范围0~2^16

16为校验和：检验数据是否传输完成

16位紧急指针：和URG标志位一起来使用，如果URG标志位为1，则紧急指针指向的数据有效

40字节头部选项：MSS–》最大报文段长度

网络抓包

TCP连接的通信双方，在通信之前进行三次握手的请求连接，通信完毕之后进行四次挥手关闭连接

三次握手

有一个概念就是客户端与服务端是相对的，而不是绝对的。我们认为的时候，率先发起连接的一方称为客户端，被动连接的一方称为服务端。

三次握手的前提就是连接方与被动连接方都完成了前期的准备工作

接下来就是三次握手的过程，这个过程就是一个确认应答的阶段

1. 客户端率先发起连接请求，向服务端发送SYN报文
2. 服务端在收到SYN报文后，向客户端回复ACK + SYN报文。其中，ACK报文是告诉客户端：服务端收到了你发送的信息，至于是发送的哪一个请求，就是后面跟着的SYN报文
3. 客户端收到了服务端发送的确认收到报文的请求，并回复服务端自己收到的请求，发送一个ACK报文

四次挥手

通信双方通信，那么肯定就有通信结束的时候。又因为TCP协议是面向连接的，所以在结束的时候不能一句话不说，悄悄就走了，这让对方情何以堪？

四次挥手，肯定也是四个阶段，因为可能是服务端先给客户端发起断开请求，也可能是客户端先给服务端发起断开请求。

所以发起请求的一方称为主动断开连接的一方，另一方就是对端，也就是被动断开连接的一方

1. 主动断开连接的一方，率先给对端发送一个FIN报文，表示自己不想聊了，要退出了
2. 对端在收到FIN报文后，向主动断开连接的一方发送ACK报文，表名自己收到了你想要退出的消息
3. 紧接着对端向主动断开连接的一方也发送一个FIN报文，既然你不想聊了，我也不想聊了，表示自己也要退出了
4. 主动断开连接方先收到对端的ACK报文，这个时候还不能退出，因为不确定对端是否还有话要说。
   然后收到了对端的FIN报文，知道了对端也要退出，就给对端发送一个ACK确认的报文，告诉对端，我知道你退出了

到了这里，其实四次挥手还不算完，为什么呢？这个时候主动断开连接方还需要考虑，自己发送给对端的ACK报文，对方有没有收到？

MSL，最大报文段生存时间，指的是发送方认为TCP报文在网络中最大的生存时间，一般是60s

• 查看MSL的命令

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout

等待两个MSL，就是为了防止发送方给对端发送的ACK确认退出报文，在途中因为各种原因丢失的情况。

这个时候给了发送方一个重新发送的机会，假设ACK报文发生了丢失

1. 第一个MSL，这时对端因为还没有收到发送方的ACK报文，自己还处于LASK_ACK的状态，于是就再次给发送方发送一个FIN退出的报文，告诉自己要走了
2. 第二个MSL，这时发送方又收到了对方的FIN报文，知道自己刚才那个ACK报文丢失了，就再给对方发一个ACK报文，好让对方退出

这个时候，如果第二次的ACK报文没有发生丢失，对端在收到ACK报文后，就进入了CLOSED状态。发送方在第二个MSL结束后就会进入CLOSED状态。

而如果又发生了丢失。。。。。这时发送方和对端因为2MSL已经结束了，就进入了CLOSED状态

2MSL == 丢失ACK的MSL + 重传FIN的MSL

由2MSL引起的地址复用问题

如果一个TCP协议的程序，他的主动断开连接的一方是服务端，那么在服务端断开连接之后，立刻重新连接的时候，就会发现该端口处于bind error: Address already in use的状态，如下所示：

问题的根源：
就是因为我们直接退出了服务端，使得服务端所占有的端口没有变成CLOSE状态，而是TIME_WAIT的状态

我们的服务端率先断开了连接，在连接断开的时候，就有一个TIME_WAIT的状态，他需要等待2MSL的时间。

这个行为是传输层TCP的行为，即使我们的应用程序已经退出掉了，但是内核中对应的19999端口还是被占用的

同理，当我们的客户端端口后，客户端的进程也属于一个TIME_WAIT的状态，但是进程号是随机的。。。我们服务端的端口号是固定的，所以客户端先断开连接后影响比较小。

解决地址复用的函数接口

#include <sys/types.h>          
#include <sys/socket.h>

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,
       const void *optval, socklen_t optlen);

• sockfd：将要被设置的套接字
• level：指定套接字的层次，他的取值有三种

SOL_SOCKET：通用套接字选项 --》地址复用
IPPROTO_TCP：TCP选项
IPPROTO_IP：IP选项

• optname：在level中要完成的任务

SOL_SOCKET -->
	SO_REUSERADDR：允许重用本地地址和端口
	SO_RECVBUF：获取接收缓冲区的大小
IPPROTO_TCP -->
	TCP_MAXSEG：获取TCP最大数据段的大小
IPPROTO_IP -->
	IP_TTL：获取最大字节数，也就是最大生存空间

• optval：需要完成的任务，地址复用–》传入1。传入的是一个 变量的地址

int i = 1;
&i;

• len：optval的长度

然后在创建套接字的同时，加上地址复用的函数