本文记录了阅读《图解TCP/IP》的《TCP与UDP》章节的笔记。

一、传输层的作用

当IP协议根据IP地址发送数据到了目标计算机上，但是具体要发给哪个应用程序还没有确定。传输层就用来确定具体的应用程序，也就是确定了端口号。

TCP/IP具有两个有代表性的传输层协议，分别是TCP和UDP。TCP提供可靠的通信传输，UDP常被用于让广播和细节控制交给应用的通信传输。根据通信的具体特征，选择合适的传输层协议是非常重要的。

IP首部有一个协议字段，标识IP层的上一层使用了什么传输层协议，可以通过该字段识别IP传输的数据是TCP还是UDP。

二、UDP（User Datagram Protocol）

UDP是不可靠的数据报协议。它不提供复杂的控制机制，细微的处理会交给上层应用完成。在接到应用程序发来数据的一刻，立即按照原样发送到网络上。虽然可以确保发送消息的大小，却不能保证消息一定会到达。因此应用需要根据自己的需要进行重发处理。

适用于：包总量较小（DNS、SNMP），视频、音频等多媒体（即时通信），限定于LAN等特定网络中的应用通信，广播通信（广播、多播）

UDP首部组成有：源端口号，目标端口号，包长度，校验和。

三、TCP（Transmission Control Protocol）

面向连接的、可靠的流协议。流是指不间断的数据结构。应用程序用TCP发送消息，虽然可以保证发送的顺序，但还是犹如没有任何间隔的数据流发送给接收端。TCP为提供可靠性传输，实行顺序控制、重发控制机制，还具备流控制、拥塞控制、提高网络利用率等众多功能。

连接是指：各种设备、线路、网络中进行通信的两个应用程序为了相互传递消息而专有的、虚拟的通信线路，也叫做虚拟电路。一旦建立了连接，进行通信的应用程序只会使用这个虚拟的通信线路发送、接收数据，就可以保障信息的传输。应用程序可以不用顾虑IP网络上可能发生的各种问题，依然可以转发数据。TCP则负责控制连接的建立、断开、保持等管理工作。

TCP通过检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理、窗口控制等机制实现可靠性传输（包括数据的破坏、丢包、重复、分片顺序混乱等）。

1 确认应答和序列化

在TCP中，发送端的数据到达接收主机时，接收端主机会返回一个已收到消息的通知，也叫确认应答（ACK），发送端如果收到了ACK就不会再发送消息，如果在一定时间内没有收到则会重复发送。

未收到确认应答并不意味着数据丢失，也有可能是数据已经收到，只是返回的确认应答丢失。这种情况也会导致发送端因没有收到ACK，认为数据没有送达，从而重新发送。

还有一些其他原因导致重复发送，有时会导致目标主机重复收到相同数据。这时就需要有一种序列号机制能判定是否已经接收该数据。

序列号是按顺序给发送数据的每一个字节都标上号码的编号，接收端查询接收数据TCP首部中的序列号和数据长度，将自己下一步应该接收的序号作为确认应答返回。这样通过序列号和确认应答号，TCP可以实现可靠性传输。

2 重发超时如何确定

重发超时是指，等待一定时间后，还没有接收到确认应答。那么这里的等待时间如何确定？

这个时间随着网络环境的不同应该有所变化，例如高速LAN可能较短，长距离通信可能较长，不同拥塞程度也不一样。所以在每次发包的时候都需要计算往返时间及其偏差，两值的和就应该稍小于重发超时的时间。故有：

在最初，由于不知道往返时间，所以会设定为较大值，一般为6s。如果多次发送都得不到应答，应答时间会成倍增长，不过也会有一个限度，到达限度后就不会再重发，会关闭连接。

3 连接管理

这里也就是说为什么TCP至少需要7次通信：3次握手和4次挥手。

三次握手：

1. 客户端向服务器发出连接请求报文，将 SYN 标识位置为 1，Sequence Number 置为x（TCP规定SYN=1时不能携带数据，x为随机产生的一个值），然后进入SYN_SEND状态。
2. 服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是 ack=x+1，同时也要为自己随机初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。这个报文带有SYN(建立连接)和ACK(确认)标志，询问客户端是否准备好。
3. 客户端进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文ACK=1，确认号ack=y+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。

四次挥手：

1. 客户端发出连接释放报文（FIN），并停止发送数据，此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。
2. 服务端发回一个ACK(确认)，确认收到序号为收到序号+1，和SYN一样，一个FIN将占用一个序号，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
3. 服务端发送一个FIN(结束)到客户端，服务端关闭客户端的连接。
4. 客户端发送ACK(确认)报文确认，并将确认的序号+1，这样关闭完成。此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

4 以段为单位发送数据

在建立TCP连接时，需要确定最大消息长度（MSS，Maxium Segment Size），理想的情况是该长度正好是IP中不会分片处理的长度。

TCP传输大量数据时，以MSS大小分割发送。MSS在三次握手中计算得出，是取两台机器的TCP接口能适应的MSS大小的较小值。即

5 用窗口控制提高速度

TCP每次发送都需要进行确认应答，该方式的缺点是，包的往返时间越长，通信性能越低。

为了解决这个问题，TCP引入了窗口的概念。确认应答不再以段为单位，而是以更大的单位进行确认，转发时间就会被大幅缩短。该机制需要使用一些缓冲区实现对多个段同时进行确认应答。

如果窗口控制中出现段丢失怎么办？

• 如果只是应答丢失则无需重发数据；
• 如果是数据丢失，则会在应答中要求重发数据。

TCP适用于传输层有必要实现可靠传输的情况，由于它面向有连接并具备顺序控制、重发控制，所以可以提高可靠传输。UDP用于对高速传输和实时性有高要求的通信或广播通信。例如打电话时，如果用TCP，数据在中途会丢失或重发，就无法流畅的传输童话人的声音；而用UDP，不会重发，就不会有声音大幅延迟到达，即使有数据丢失，也只会影响到一小部分的通话。

套接字：应用在使用TCP或UDP时，会用到操作系统提供的类库，会广泛使用到套接字（socket）的API。应用程序利用套接字可以设置对端的IP地址、端口号，并实现数据的发送与接收。

6 拥塞控制

有了 TCP 的窗口控制，收发主机之间即使不再以一个数据段为单位发送确认应答，也能够连续发送大量数据包。然而，如果在通信刚开始时就发送大量数据，也可能会引发其他问题。一般来说，计算机网络都处在一个共享的环境，因此也有可能会因为其他主机之间的通信使得网络拥堵。在网络出现拥堵时，如果突然发送一个较大量的数据，极有可能会导致整个网络的瘫痪

TCP 为了防止拥塞问题的出现，在通信一开始时就会通过一个叫做慢启动的方法，对发送数据量进行控制。

7 TCP首部

TCP首部比UDP首部复杂得多。首部中没有包长度和数据长度，这里可以由IP层获取TCP的包长度，由TCP包长度可知数据长度。

• 序列号 （Sequence number），这个序号保证了 TCP 传输的报文都是有序的，对端可以通过序号顺序的拼接报文
• 确认号 （Acknowledgement Number），这个序号表示数据接收端期望接收的下一个字节的编号是多少，同时也表示上一个序号的数据已经收到
• 窗口大小 （Window Size），表示还能接收多少字节的数据，用于流量控制
• 标识符
• ACK=1 ：该字段为一表示确认号字段有效。此外，TCP 还规定在连接建立后传送的所有报文段都必须把 ACK 置为一。
• SYN=1：当SYN=1，ACK=0时，表示当前报文段是一个连接请求报文。当SYN=1，ACK=1时，表示当前报文段是一个同意建立连接的应答报文。
• FIN=1：该字段为一表示此报文段是一个释放连接的请求报文。
• URG=1 : 该字段为一表示本数据报的数据部分包含紧急信息，是一个高优先级数据报文，此时紧急指针有效。紧急数据一定位于当前数据包数据部分的最前面，紧急指针标明了紧急数据的尾部。
• PSH=1 ：该字段为一表示接收端应该立即将数据 push 给应用层，而不是等到缓冲区满后再提交。
• RST=1：该字段为一表示当前 TCP 连接出现严重问题，可能需要重新建立 TCP 连接，也可以用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。

四、其他传输层协议

在互联网中，很长一段时间传输层都是使用TCP和UDP，然而还有一些其他协议也有被提出。

1 UDP-Lite

UDP-Lite（Lightweight User Datagram Protocol，轻量级用户数据报协议）是扩展UDP机能的一种传输层协议。在UDP通信中，如果check sum出现错误，所收到的包将被全部丢弃。然而现实操作中有些应用在面对这种情况时并不希望全部丢弃。

比较简单的想法是直接不检验校验和，但是这种方式如果是首部被破坏，那就会产生安全问题，所以不能直接将校验和去掉。UDP-Lite也就是来处理这种问题。

UDP-Lite于UDP几乎相同，不过check sum的范围可以由用户自行决定，有多种情况：

• 包+伪首部
• 首部+伪首部
• 首部+伪首部+数据的一部分

有了这种机制，就可以对数据中不允许发生错误的部分进行检查；对其他部分即使出错也可以忽略不计。

2 SCTP

SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议）与TCP一样，都是对一种提供数据到达与否相关可靠性检查的传输层协议。主要特点有：

• 以消息为单位收发：TCP中接收端并不知道发送端应用所决定的消息大小。在SCTP中却知道。
• 支持多重宿主：在有多个NIC的主机中，即使其中能够使用的NIC发生变化，也仍然可以继续通信。
• 支持多数据流通信：TC中建立多个连接才能进行通信的效果，在SCTP中一个连接就可以。
• 可以定义消息的生存期限：超过生存期限的消息不会被重发。

SCTP主要用于进行通信的应用之间发送众多小消息的情况，这些较小的应用消息被称为数据块（Chunk），多个数据块组成一个数据包。

此外SCTP具有支持多重宿主以及设定多个IP地址的特点。多重宿主是指同一台主机具备多种网络的接口。例如笔记本电脑可以连接以太网（网线）也可以连无线LAN（WIFI）。

同时使用以太网和无线LAN，各自的NIC会获取到不同的IP地址。如果在进行TCP通信时，中间有网络切换，则连接就会中断。然而在SCTP情况下，由于可以管理多个IP地址使其同时进行通信，因此即使出现通信过程中有连接切换，也能保持通信不中断。所以SCTP可以为具备多个NIC的主机提供更可靠的传输。

3 DCCP

DCCP（Datagram Congestion Control Protocol，数据报拥塞控制协议）是一个辅助UDP的崭新的传输层协议。UDP没有拥塞控制机制，因此在使用UDP传输大量数据包时容易出现问题。互联网中的通信，即使使用UDP也应该控制拥塞。而开发人员很难将这个机制融合到协议中，于是便出现了DCCP这样的规范。它有以下特点：

• 与UDP一样，不能提供可靠性传输。
• 它面向连接，具备建立和断开连接的处理，在创建和断开连接上具有可靠性。
• 能够根据网络拥堵情况进行拥塞控制，可以根据自身特点进行拥塞控制，有两种方法：类似TCP（TCP-Like）和TCP友好升级控制（TCP-Friendly Rate Control）。
• 为了进行拥塞控制，接收端收到包以后返回确认应答ACK。该确认应答将被用于重发与否的判断。