【详解】计算机网络从总到细——UDP与TCP

重点协议TCP与UDP

1. 认识传输层的两个协议

• 传输层功能： 为相互通信的应用进程提供逻辑通信

• TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议) ：需要将要传输的文件分段进行传输，在传输之前需要建立会话，他的传输过程是可靠传输，同时要进行流量控制；[QQ传文件]

• UDP(User Data Protocol，用户数据报协议)：一个数据包就能够完成数据通信，不分段，也不需要建立会话，不需要流量控制，是一种不可靠传输；[DNS域名解析；QQ聊天]

• 查看会话：netstat -n

• 查看建立会话的进程：netstat -nb

• 查看服务侦听的端口：netstat -an

• 测试到远程计算机某个端口是否打开 ：telnet 39.99.188.117 8080

2.传输层协议和应用层协议之间的关系

• 常见的应用层协议使用的端口
  • http=TCP+80
  • https=TCP+443
  • RDP=TCP+3389
  • ftp=TCP+21
  • SMTP=TCP+25
  • 共享文件夹=TCP+445
  • POP3=TCP+23
  • telnet=TCP+23
  • SQL=TCP+1433
  • DNS=UDP+53

3.服务和应用层协议之间关系

• 服务使用TCP或UDP的端口侦听客户端请求
• 客户端使用IP地址定位服务器使用目标端口定位服务
• 可以在服务器网卡上设置只开放必要的端口实现服务器网络安全

4.UDP

16位UDP长度，表示数据报(UDP首部+UDP数据)的最大长度。

如果校验和出错，就会直接丢弃

• 特点：不安全但是效率高
  • 无连接
  • 不可靠：没有确定应答机制，没有超时重传机制，也没有连接管理机制
  • 面向数据报：最大发送64k
    • 应用层交给UDP多长的报文, UDP原样发送, 既不会拆分, 也不会合并;、
    • 用UDP传输100个字节的数据:
      • 如果发送端调用一次sendto, 发送100个字节, 那么接收端也必须调用对应的一次recvfrom, 接收100个字节; 而不能循环调用10次recvfrom, 每次接收10个字节;
  • UDP没有发送缓冲区，只有接收缓冲区：
    • UDP没有真正意义上的 发送缓冲区. 调用sendto会直接交给内核, 由内核将数据传给网络层协议进行后续的传输动作;
    • UDP具有接收缓冲区. 但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报的顺序和发送UDP报的顺序一致; 如果缓冲区满了, 再到达的UDP数据就会被丢弃;
• 基于UDP的应用层协议:
  • NFS: 网络文件系统
  • TFTP: 简单文件传输协议
  • DHCP: 动态主机配置协议
  • BOOTP: 启动协议(用于无盘设备启动)
  • DNS: 域名解析协议

5. TCP

• 协议格式：

  • 源/目的端口号：从那个进程来，到那个进程去；
  • 32位序号/32位确定号：和 TCP 的 ACK 机制有关，发送端给数据进行编号，接收端收到数据后确认收到哪些编号的数据。
  • 4位TCP报头长度：表示该TCP头部有多少个32位bit（有4个字节）；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：
  • 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紧急指针：略
  • 40字节头部选项：略

• 特点：

  • 有连接
  • 可靠的
  • 面向字节流
  • 具有接收和发送缓冲区

• 确定应答机制(ACK):序号+确定序号实现

  • 生活案例理解确定应答机制

通常，两个人对话时，在谈话的停顿处可以点头或询问以确认谈话内容。如果对方迟迟没有任何反馈，说话的一方还可以再重复一遍以保证对方确实听到。 因此，对方是否理解了此次对话内容，对方是否完全听到了对话的内容，都要靠对方的反应来判断。网络中的 “确认应答” 就是类似这样的一个概念。当对方听懂对话内容时会说： ＂ 嗯 ＂，这就相当于返回了一个确认应答(ACK)。而当对方没有理解对话内容或没有听清时会问一句 ｀｀ 咦？” 这好比一个否定确认应答

• TCP将每个字节都进行了编号，既为序列号

• 每个ACK都带有对应得确认序列号，意思是告诉发送者，我已经收到那些数据；下一次你从什么地方开始

• 超时重传机制：系统基于TCP协议实现，动态计算报文的最大生存时间(MSL),超时时间设置为2MSL

  • 作用：超过超时时间，表示丢包(两种情况，如下)，需要重新发送数据报(系统中发送缓冲区保存有数据，可以重发)
  • 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.

• 连接管理机制：

  • 在正常情况下, TCP要经过三次握手(红色)建立连接, 四次挥手(蓝色)断开连接
  • **！**注意：建立连接都是单方向的连接

  • 三次握手：（建立连接）

    1. 客户端的协议栈向服务器端发送了 SYN 包，并告诉服务器端当前发送序列号 j，客户端进入 SYNC_SENT 状态；
    2. 服务器端的协议栈收到这个包之后，和客户端进行 ACK 应答，应答的值为 j+1，表示对 SYN 包 j 的确认，同时服务器也发送一个 SYN 包，告诉客户端当前我的发送序列号为 k，服务器端进入 SYNC_RCVD 状态；
    3. 客户端协议栈收到 ACK 之后，使得应用程序从 connect 调用返回，表示客户端到服务器端的单向连接建立成功，客户端的状态为 ESTABLISHED，同时客户端协议栈也会对服务器端的 SYN 包进行应答，应答数据为 k+1；
    4. 应答包到达服务器端后，服务器端协议栈使得 accept 阻塞调用返回，这个时候服务器端到客户端的单向连接也建立成功，服务器端也进入 ESTABLISHED 状态。

  • 四次挥手：（断开连接）

    TCP 连接终止时，主机 1 先发送 FIN 报文，主机 2 进入 CLOSE_WAIT 状态，并发送一个 ACK 应答，同时，主机 2 通过 read 调用获得 EOF，并将此结果通知应用程序进行主动关闭操作，发送 FIN 报文。主机 1 在接收到 FIN 报文后发送 ACK 应答，此时主机 1 进入 TIME_WAIT 状态

    • 为什么要ACK与FIN分开发送？服务器没有继续发FIN包给客户端。
      • 服务器为什么不发FIN，可能是业务实现上的需要，现在不是发送FIN的时机，因为服务器还有数据要发往客户端，发送完了自然就要通过系统调用发FIN了

  • ClOSE_WAIT状态：服务端程序没有调用close方法，导致出现大量的连接处于CLOSE_WAIT状态，代表半关闭，是一种bug，只需要加上对应的 close 即可解决问题.

    • 关于 “半关闭” , 类似男女朋友分手

  • TIME_WAIT状态：

    • 为啥不能设置为CLOSED? 因为低4次ACK响应报文时可能丢包，导致服务端无法关闭连接，需要服务器重新发送FIN请求
    • **为啥是2MSL？**返回ACK传输时间+服务端重新发送FIN的传输时间

• 滑动窗口：

  • 窗口大小指的是无需等待确定应答而可以继续发生数据的最大值。假如窗口为n段
    • 依赖ACK响应报文中的窗口大小字段
    • 依赖拥塞控制窗口大小
  • 收到第一个ACK，滑动窗口向后移动，继续发送第n+1段的数据
  • 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那些数据没有应答；只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉
  • ACJ响应报文中，携带下一个序号是多少。---->表示在此序号之前的所有数据都已经接收到、
  • 窗口的滑动：
    • 依赖ACK响应报文中的下一个序号进行滑动，而下一个序号是多少，又依赖接接收到连续报文的最大序号。

• 流量控制：

  • 接收端：通过TCP协议头中的“窗口大小”字段，告诉发送端，发送数据的大小。
  • 目的：接收端接收能力有限，为了防止接收缓冲区被打满，再接收数据直接丢弃。使用窗口大小可以告诉发送端发送数据的大小。

• 拥塞控制：

  • 因为网络上有很多的计算机，可能当前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，摸清当前网络拥塞状态，再决定按照多大的速度传输数据。
  • 原理：
    • 拥塞窗口初始值设为1，以慢启动指数级增长的方式，达到一定阈值变为线性增长的方式

• 延时应答机制：

  • 原理：接收到多个数据段时，不针对每条数据报响应ACK，而是延迟一定时间，这样接收缓冲区数据很快被处理，可用空间更大，返回窗口大小字段就可以设置的更大，使网络吞吐量更大，传输效率更高。

• 捎带应答：

  • 如果服务端也要传输数据到客户端，可以和ACK结合起来一起发送，这就叫捎带应答

• TCP安全机制：

  • 响应应答，超时重传，连接机制，流量控制，拥塞控制

• TCP性能机制：

  • 滑动窗口，延迟应答，捎带应答