【詳解】計算機網絡從總到細——UDP與TCP

重點協議TCP與UDP

1. 認識傳輸層的兩個協議

• 傳輸層功能： 爲相互通信的應用進程提供邏輯通信

• TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協議) ：需要將要傳輸的文件分段進行傳輸，在傳輸之前需要建立會話，他的傳輸過程是可靠傳輸，同時要進行流量控制；[QQ傳文件]

• UDP(User Data Protocol，用戶數據報協議)：一個數據包就能夠完成數據通信，不分段，也不需要建立會話，不需要流量控制，是一種不可靠傳輸；[DNS域名解析；QQ聊天]

• 查看會話：netstat -n

• 查看建立會話的進程：netstat -nb

• 查看服務偵聽的端口：netstat -an

• 測試到遠程計算機某個端口是否打開 ：telnet 39.99.188.117 8080

2.傳輸層協議和應用層協議之間的關係

• 常見的應用層協議使用的端口
  • http=TCP+80
  • https=TCP+443
  • RDP=TCP+3389
  • ftp=TCP+21
  • SMTP=TCP+25
  • 共享文件夾=TCP+445
  • POP3=TCP+23
  • telnet=TCP+23
  • SQL=TCP+1433
  • DNS=UDP+53

3.服務和應用層協議之間關係

• 服務使用TCP或UDP的端口偵聽客戶端請求
• 客戶端使用IP地址定位服務器使用目標端口定位服務
• 可以在服務器網卡上設置只開放必要的端口實現服務器網絡安全

4.UDP

16位UDP長度，表示數據報(UDP首部+UDP數據)的最大長度。

如果校驗和出錯，就會直接丟棄

• 特點：不安全但是效率高
  • 無連接
  • 不可靠：沒有確定應答機制，沒有超時重傳機制，也沒有連接管理機制
  • 面向數據報：最大發送64k
    • 應用層交給UDP多長的報文, UDP原樣發送, 既不會拆分, 也不會合並;、
    • 用UDP傳輸100個字節的數據:
      • 如果發送端調用一次sendto, 發送100個字節, 那麼接收端也必須調用對應的一次recvfrom, 接收100個字節; 而不能循環調用10次recvfrom, 每次接收10個字節;
  • UDP沒有發送緩衝區，只有接收緩衝區：
    • UDP沒有真正意義上的 發送緩衝區. 調用sendto會直接交給內核, 由內核將數據傳給網絡層協議進行後續的傳輸動作;
    • UDP具有接收緩衝區. 但是這個接收緩衝區不能保證收到的UDP報的順序和發送UDP報的順序一致; 如果緩衝區滿了, 再到達的UDP數據就會被丟棄;
• 基於UDP的應用層協議:
  • NFS: 網絡文件系統
  • TFTP: 簡單文件傳輸協議
  • DHCP: 動態主機配置協議
  • BOOTP: 啓動協議(用於無盤設備啓動)
  • DNS: 域名解析協議

5. TCP

• 協議格式：

  • 源/目的端口號：從那個進程來，到那個進程去；
  • 32位序號/32位確定號：和 TCP 的 ACK 機制有關，發送端給數據進行編號，接收端收到數據後確認收到哪些編號的數據。
  • 4位TCP報頭長度：表示該TCP頭部有多少個32位bit（有4個字節）；所以TCP頭部最大長度是15*4=60
  • 6位標誌位：
    • URG:緊急指針是否有效
    • **ACK:**確認號是否有效
    • PSH:提示接收端應用程序立刻從TCP緩衝區把數據讀走
    • RST:對方要求重新建立連接; 我們把攜帶RST標識的稱爲復位報文段
    • **SYN:**請求建立連接; 我們把攜帶SYN標識的稱爲同步報文段
    • **FIN:**通知對方, 本端要關閉了, 我們稱攜帶FIN標識的爲結束報文段
  • 16位窗口大小：
  • 16位校驗和：發送端填充，CRC 校驗，接收端校驗不通過，則認爲數據有問題。此處的檢驗和不光包含TCP首部，也包含TCP數據部分。
  • 16緊急指針：略
  • 40字節頭部選項：略

• 特點：

  • 有連接
  • 可靠的
  • 面向字節流
  • 具有接收和發送緩衝區

• 確定應答機制(ACK):序號+確定序號實現

  • 生活案例理解確定應答機制

通常，兩個人對話時，在談話的停頓處可以點頭或詢問以確認談話內容。如果對方遲遲沒有任何反饋，說話的一方還可以再重複一遍以保證對方確實聽到。 因此，對方是否理解了此次對話內容，對方是否完全聽到了對話的內容，都要靠對方的反應來判斷。網絡中的 “確認應答” 就是類似這樣的一個概念。當對方聽懂對話內容時會說： ＂ 嗯 ＂，這就相當於返回了一個確認應答(ACK)。而當對方沒有理解對話內容或沒有聽清時會問一句 ｀｀ 咦？” 這好比一個否定確認應答

• TCP將每個字節都進行了編號，既爲序列號

• 每個ACK都帶有對應得確認序列號，意思是告訴發送者，我已經收到那些數據；下一次你從什麼地方開始

• 超時重傳機制：系統基於TCP協議實現，動態計算報文的最大生存時間(MSL),超時時間設置爲2MSL

  • 作用：超過超時時間，表示丟包(兩種情況，如下)，需要重新發送數據報(系統中發送緩衝區保存有數據，可以重發)
  • 主機A發送數據給B之後, 可能因爲網絡擁堵等原因, 數據無法到達主機B;
  • 如果主機A在一個特定時間間隔內沒有收到B發來的確認應答, 就會進行重發;、

  但是，主機A未收到B發來的確認應答, 也可能是因爲ACK丟失了;

  ​

  • 因此主機B會收到很多重複數據. 那麼TCP協議需要能夠識別出那些包是重複的包, 並且把重複的丟棄掉.
    這時候我們可以利用前面提到的序列號, 就可以很容易做到去重的效果.

• 連接管理機制：

  • 在正常情況下, TCP要經過三次握手(紅色)建立連接, 四次揮手(藍色)斷開連接
  • **！**注意：建立連接都是單方向的連接

  • 三次握手：（建立連接）

    1. 客戶端的協議棧向服務器端發送了 SYN 包，並告訴服務器端當前發送序列號 j，客戶端進入 SYNC_SENT 狀態；
    2. 服務器端的協議棧收到這個包之後，和客戶端進行 ACK 應答，應答的值爲 j+1，表示對 SYN 包 j 的確認，同時服務器也發送一個 SYN 包，告訴客戶端當前我的發送序列號爲 k，服務器端進入 SYNC_RCVD 狀態；
    3. 客戶端協議棧收到 ACK 之後，使得應用程序從 connect 調用返回，表示客戶端到服務器端的單向連接建立成功，客戶端的狀態爲 ESTABLISHED，同時客戶端協議棧也會對服務器端的 SYN 包進行應答，應答數據爲 k+1；
    4. 應答包到達服務器端後，服務器端協議棧使得 accept 阻塞調用返回，這個時候服務器端到客戶端的單向連接也建立成功，服務器端也進入 ESTABLISHED 狀態。

  • 四次揮手：（斷開連接）

    TCP 連接終止時，主機 1 先發送 FIN 報文，主機 2 進入 CLOSE_WAIT 狀態，併發送一個 ACK 應答，同時，主機 2 通過 read 調用獲得 EOF，並將此結果通知應用程序進行主動關閉操作，發送 FIN 報文。主機 1 在接收到 FIN 報文後發送 ACK 應答，此時主機 1 進入 TIME_WAIT 狀態

    • 爲什麼要ACK與FIN分開發送？服務器沒有繼續發FIN包給客戶端。
      • 服務器爲什麼不發FIN，可能是業務實現上的需要，現在不是發送FIN的時機，因爲服務器還有數據要發往客戶端，發送完了自然就要通過系統調用發FIN了

  • ClOSE_WAIT狀態：服務端程序沒有調用close方法，導致出現大量的連接處於CLOSE_WAIT狀態，代表半關閉，是一種bug，只需要加上對應的 close 即可解決問題.

    • 關於 “半關閉” , 類似男女朋友分手

  • TIME_WAIT狀態：

    • 爲啥不能設置爲CLOSED? 因爲低4次ACK響應報文時可能丟包，導致服務端無法關閉連接，需要服務器重新發送FIN請求
    • **爲啥是2MSL？**返回ACK傳輸時間+服務端重新發送FIN的傳輸時間

• 滑動窗口：

  • 窗口大小指的是無需等待確定應答而可以繼續發生數據的最大值。假如窗口爲n段
    • 依賴ACK響應報文中的窗口大小字段
    • 依賴擁塞控制窗口大小
  • 收到第一個ACK，滑動窗口向後移動，繼續發送第n+1段的數據
  • 操作系統內核爲了維護這個滑動窗口，需要開闢發送緩衝區來記錄當前還有那些數據沒有應答；只有確認應答過的數據，才能從緩衝區刪掉
  • ACJ響應報文中，攜帶下一個序號是多少。---->表示在此序號之前的所有數據都已經接收到、
  • 窗口的滑動：
    • 依賴ACK響應報文中的下一個序號進行滑動，而下一個序號是多少，又依賴接接收到連續報文的最大序號。

• 流量控制：

  • 接收端：通過TCP協議頭中的“窗口大小”字段，告訴發送端，發送數據的大小。
  • 目的：接收端接收能力有限，爲了防止接收緩衝區被打滿，再接收數據直接丟棄。使用窗口大小可以告訴發送端發送數據的大小。

• 擁塞控制：

  • 因爲網絡上有很多的計算機，可能當前網絡狀態就已經比較擁堵，在不清楚當前網絡狀態下，貿然發送大量的數據，是很有可能引起雪上加霜的
  • TCP引入慢啓動機制，先發少量的數據探探路，摸清當前網絡擁塞狀態，再決定按照多大的速度傳輸數據。
  • 原理：
    • 擁塞窗口初始值設爲1，以慢啓動指數級增長的方式，達到一定閾值變爲線性增長的方式

• 延時應答機制：

  • 原理：接收到多個數據段時，不針對每條數據報響應ACK，而是延遲一定時間，這樣接收緩衝區數據很快被處理，可用空間更大，返回窗口大小字段就可以設置的更大，使網絡吞吐量更大，傳輸效率更高。

• 捎帶應答：

  • 如果服務端也要傳輸數據到客戶端，可以和ACK結合起來一起發送，這就叫捎帶應答

• TCP安全機制：

  • 響應應答，超時重傳，連接機制，流量控制，擁塞控制

• TCP性能機制：

  • 滑動窗口，延遲應答，捎帶應答