TCP /IP 之TCP和UDP

传输层，TCP和UDP基本知识

TCP与UDP的比较：

端口号

1.端口号确定的方法

UDP（User Datagram Protocol）

TCP（Transmission Control Protocol）

通过序列号与确认应答提高可靠性

重发超时

连接管理

TCP 以段为单位发送数据

窗口控制

流控制

拥塞控制

其他传输层协议

UDP-Lite

SCTP

DCCP

首部格式

UDP首部格式

TCP首部格式

传输层，TCP和UDP基本知识

传输层定义：IP 首部中有一个协议字段，用来标识网络层(IP) 的上一层所采用的是哪一种传输层协议。同样，传输层的TCP 和UDP, 为了识别自己所传输的数据部分究竟应该发给哪个应用，也设定了这样一个编号。这个编号就是端口号。

通信处理：传输协议TCP、UDP通过接受数据中的目标端口号识别目标处理程序。

TCP定义：TCP 是面向连接的、可靠的流协议。流就是指不间断的数据结构，你可以把它想象成排水管道中的水流。当应用程序采用TCP 发送消息时，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的功能：TCP 为提供可靠性传输，实行“顺序控制”或“重发控制“机制。此外还具备“流控制（流量控制）”、＂拥塞控制”、提高网络利用率等众多功能。

UDP的定义：UDP 是不具有可靠性的数据报协议。细微的处理它会交给上层的应用去完成。在UDP 的情况下，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，应用有时会根据自己的需要进行重发处理。

TCP与UDP的比较：

TCP用于在传输层有必要实现可靠传输的情况。由于它是面向有连接并具备顺序控制、重发控制等机制的，所以它可以为应用提供可靠传输。
UDP 主要用于那些对高速传输和实时性有较高要求的通信或广播通信。
在多播与广播通信中也使用UDP 而不是TCP 。RIP 、DHCP 等基于广播的协议也要依赖于UDP 。

端口号

定义：端口号用来识别同一台计算机中进行通信的不同应用程序。因此，它也被称为程序地址。

根据端口号识别应用：

不同通信的标识：TCP/IP 或UDP/IP 通信中通常采用5 个信息来识别一个通信。它们是＂源IP 地址”、“目标IP 地址”、“协议号”、"源端口号”、“目标端口号”。只
要其中某一项不同，则被认为是其他通信。

1.端口号确定的方法

标准既定的端口号（静态方法）

定义：它是指每个应用程序都有其指定的端口号。但并不是说可以随意使用任何一个端口号。每个端口号都有其对应的使用目的。

知名端口号一般由0到1023 的数字分配而成。应用程序应该避免使用知名端口号进行既定目的之外的通信，以免产生冲突。除知名端口号之外，还有一些端口号也被正式注册。关千知名端口号以及注册端口号的最新消息，请参考如下网址：https://www.iana.org/assignments/service-names-port-numbers

时序分配法（动态方法）

定义：服务端有必要确定监听端口号，但是接受服务的客户端没必要确定端口号。

在这种方法下，客户端应用程序可以完全不用自己设置端口号，而全权交给操作系统进行分配。操作系统可以为每个应用程序分配互不冲突的端口号。。这样，操作系统就
可以动态地管理端口号了。

端口号与协议的关系：关系：端口号由其使用的传输层协议决定。因此，不同的传输协议可以使用相同的端口号。例如， TCP 与UDP 使用同一个端口号，但使用目的各不相同。这是因为端口号上的处理是根据每个传输协议的不同而进行的。

UDP（User Datagram Protocol）

UDP的定义：UDP（用户数据报协议）不提供复杂的控制机制，利用IP 提供面向无连接的通信服务。并且它是将应用程序发来的数据在收到的那一刻，立即按照原样发送到网络上的一种机制。

特点：出现网络拥堵的情况下， UDP 也无法进行流量控制等避免网络拥塞的行为。此外，传输途中即使出现丢包， UDP 也不负责重发。甚至当出现包的到达顺序乱掉时也没有纠正的功能。如果需要这些细节控制，那么不得不交由采用UDP 的应用程序去处理。

应用：

包总量较少的通信(DNS 、SNMP 等）
视频、音频等多媒体通信（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）

TCP（Transmission Control Protocol）

TCP的定义：传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。

特点和目的：TCP 通过检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输。

通过序列号与确认应答提高可靠性

确认应答（ACK）：在TCP 中，当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。这个消息叫做确认应答。

TCP 通过肯定的确认应答(ACK) 实现可靠的数据传输。当发送端将数据发出之后会等待对端的确认应答。如果有确认应答，说明数据已经成功到达对端。反之，则数据丢失的可能性很大。

第三种情况：对方已经收到数据，但是返回的确认应答在途中丢失，或者因为其他原因导致确认应答延迟到达。这种情况也会导致发送端没有收到确认应答，认为数据没有到达目的地，从而进行重发。

引发的问题：对于源主机来说，只要按照重发机制重发数据即可。但是对于目标主机来说，这简直是一种“灾难”。它会反复收到相同的数据。而为了对上层应用提供可靠的传输，必须得放弃重复的数据包。

解决的问题：要能够识别目标主机是否已经接收数据，又能判断目标主机是否需要接收。

序列号机制的引入

定义：序列号是按顺序给发送数据的每一个字节(8 位字节）都标上号码的编号。

工作原理：目标i主机查询接收到的数据中的TCP 首部中的序列号和数据的长度，将自己下一步应该接收的序号（即TCP首部序列号+数据长度）作为确认应答返送回去。就这样，通过序列号和确认应答号， TCP 可以实现可靠传输。

问题？似乎并未解决第三种情况出现的问题？？？？？

重发超时

定义：重发超时是指在重发数据之前，等待确认应答到来的那个特定时间间隔。如果超过了这个时间仍未收到确认应答，发送端将进行数据重发。

需要考虑的因素：TCP要求无论处在何种网络环境下都要提供高性能通信，并且无论网络拥堵发生何种变化，都必须保持这一特性。

计算方式：每次发包时都会计算往返时间（Round Trip Time，RTT）及其偏差（RTT时间波动的值、方差。有时也叫抖动）。将这个往返时间和偏差相加，重发超时的时间就是比这个总和要稍大一点。

实际工作方式：在BSD 的Unix 以及Windows 系统中，超时都以0.5 秒为单位进行控制，因此重发超时都是0.5 秒的整数倍。初始值，重发超时一般设置6秒左右。数据被重发之后若还是收不到确认应答，则进行再次发送。此时，等待确认应答的时间将会以2 倍、4 倍的指数函数延长。达到一定重发次数之后，如果仍没有任何确认应答返回，就会判断为网络或对端主机发生了异常，强制关闭连接。并且通知应用通信异常强行终止。

连接管理

面向有连接：指的是指在数据通信开始之前先做好通信两端之间的准备工作。

TCP 提供面向有连接的通信传输。UDP 是一种面向无连接的通信协议，因此不检查对端是否可以通信，直接将UDP 包发送出去。TCP 与此相反，客户端会在数据通信之前，通过TCP 首部发送一个SYN 包作为建立连接的请求等待服务端的确认应答。如果服务端发来确认应答，则认为可以进行数据通信。如果服务端的确认应答未能到达，就不会进行数据通信。此外，在通信结束时会进行断开连接的处理(FIN 包）。

一个连接的建立与断开，正常过程至少需要来回发送7 个包才能完成（3次握手，4次挥手）

TCP 以段为单位发送数据

MSS：“最大消息长度”(MSS: Maximum Segment Size) 。最理想的情况是，最大消息长度正好是IP 中不会被分片处理的最大数据长度。TCP 在传送大量数据时，是以MSS 的大小将数据进行分割发送。进行重发时也是以MSS 为单位。

怎么确定MSS：MSS 是在三次握手的时候，在两端主机之间被计算得出。两端的主机在发出建立连接的请求时，会在TCP 首部中写入MSS 选项，告诉对方自己的接口能够适应的MSS 的大小。然后会在两者之间选择一个较小的值投入使用。

窗口控制

1.利用窗口控制提高速度

问题出现：TCP 以1 个段为单位，每发一个段进行一次确认应答的处理。这样的传输方式有一个缺点，那就是，包的往返时间越长，网络的吞吐量会越差，通信性能就越低。

窗口解决的问题：即使往返时间较长也能控制网络性能的下降。

窗口大小：指无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值。如图，窗口大小为4个段。

滑动窗口机制+缓冲区

在这个窗口内的数据即便没有收到确认应答也可以发送出去。不过，在整个窗口的数据确认应答没有达到之前，如果部分数据出现丢包，那么发送端仍然要负责重发。因此，客户端要设置缓冲区来保留这些带重发的数据，直到收到它们的应答。当数据发出后若如期收到确认应答就可以不用再进行重发，此时数据就可以从缓存区清除。收到确认应答的情况下，将窗口滑动到确认应答中的序列号的位置。这样可以顺序地将多个段同时发送提高通信性能。这种机制也被称为滑动窗口控制。

上述工作过程的还有一种情况：部分数据不是出现丢包，服务器已经收到数据，但是确认应答未能返回。这种情况下，客户端应该是不需进行重发的。在没有使用窗口控制的时候，客户端会重发。

2.窗口控制使得某些确认应答即便丢失也无需重发。

3.窗口控制比之前的超时管理更加高效

当某一报文段丢失后，发送端会一直收到序号为1001 的确认应答，这个确认应答好像在提醒发送端“我想接收的是从1001 开始的数据“。因此，在窗口比较大，又出现报文段丢失的情况下，同一个序号的确认应答将会被重复不断地返回。而发送端主机如果连续3 次收到同一个确认应答，就会将其所对应的数据进行重发。

流控制

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拥塞控制

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其他传输层协议

UDP-Lite

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SCTP

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DCCP

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首部格式

UDP首部格式

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TCP首部格式

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