TCP&UDP简要整理

简要记录一下TCP/IP模型、TCP的三次握手与四次挥手、TCP&UDP的比较。

TCP/IP模型

TCP/IP模型是互联网的基础，包括了一系列网络协议，例如TCP、UDP、IP、FTP、HTTP等，这些协议可以分为四层、由上至下分别为应用层、传输层、网络层、链路层。

TCP/IP模型&OSI七层模型

TCP的三次握手与四次挥手

建立连接——三次握手

第一次握手：客户端向服务端发送建立连接请求报文连接SYN（序号Seq=x）
第二次握手：服务端返回连接SYN和确认ACK（序号Seq=y、确认号Ack=x+1）
第三次握手：客户端发送确认ACK（确认号Ack=y+1）

若在一定时间内没有接收到确认应答，发送端会认为数据已经丢失，并进行重发；但实际上，发送端没有接收到确认应答，不一定是数据丢失，也可能是返回的确认应答在途中丢失，也会导致发送端重发；此外，也可能是确认应答延迟到达，发送端重发数据后才接收到。数据被重发后，若还接收不到确认应答，则再次发送。这时，等待确认应答的时间将会以2倍、4倍的指数函数增长；但数据也不会无限重发，达到一定的重发次数后，还没接收到确认应答，就会认为网络或对端主机发送异常，强制关闭连接，并通知应用通信异常，强行终止。

每一次传输数据时，TCP都会标记段的序列号，以便对方确认。在TCP中并不直接确认接收到哪些段，而是通知发送端下一次应该发送哪一个段，表示前面的段已经接收到；比如：接收到的确认应答为N+1时，表示N以及N之前的数据都已接收完毕。

在TCP进行通信前，发送一个SYN包作为建立连接的请求；在通信结束时，会使用FIN包进行断开连接的处理。SYN包和FIN包是通过TCP头部的控制字段来管理TCP连接。创建一个TCP连接，会产生一个32位随机序列号。TCP的三次握手至少需要发送3个包，四次挥手至少需要发送4个包。

三次握手的关键是确认对方接收到自己发送的数据包，计算机会记录该数据包的序号Seq，当收到对方返回的数据包后，检测数据包的确认号Ack，若Ack=Seq+1，则表示对方正确接收到自己发送的数据包。

经过传输层协议封装后的数据称为段。在建立TCP连接时，可以确定数据段的大小，即最大消息长度（MSS）。TCP在传输大量数据时，是以MSS的大小将数据进行分割发送；数据的重发也是以MSS为单位。MSS是在三次握手时，由两端主机计算而来；两端主机在发出建立连接的请求时，会在TCP头部写入MSS值，然后在两者之间选择较小的值使用，MSS默认值为536字节，理想值为1460字节。

断开连接——四次挥手

第一次挥手：客户端向服务端发送断开连接请求报文断开FIN（序号Seq=x）
第二次挥手：服务端返回确认ACK（序号Seq=y、确认号Ack=x+1）
第三次挥手：服务端发送表示可以断开连接的报文断开FIN（序号Seq=y+1、确认号：Ack=x+1）
第四次挥手：客户端返回确认ACK（序号Seq=x+1、确认号Ack=y+2）

TCP&UDP的比较

UDP

UDP，全称User Datagram Protocol。UDP不提供复杂的控制机制，利用IP提供面向无连接的、不可靠的通信服务。并且，UDP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。即使在网络出现拥堵的情况下，UDP也无法进行流量控制。传输过程中出现丢包，UDP也不负责重发。当出现包的到达顺序错误时也没有纠正的功能。如果需要这些细节控制，那么需要交由上层的应用程序去处理。

UDP的特点

UDP是无连接的：UDP发送数据前不与对方建立连接；
UDP不对数据进行排序：UDP报文的头部没有数据顺序的信息；
UDP对数据不发送确认，发送端不知道数据是否被正确接收，也不会重发数据；
UDP传送数据比TCP快，系统开销少；
UDP缺乏拥塞控制机制，不能检测到网络拥塞。

UDP的应用

包总量较少的通信（DNS、SNMP、TFTP等）
视频、音频等多媒体通信（即时通信）
只在局域网内使用的应用通信
广播通信（广播、多播）

UDP格式

UDP段由UDP头部和UDP数据组成。UDP头部由源端口号、目的端口号、长度、校验和组成，UDP头部长度为固定的8字节。

源端口号：字段长16位，表示发送端UDP端口号。
目的端口号：字段长16位，表示接收端UDP端口号。
长度：字段长16位，表示UDP头部和UDP数据的总长度。
校验和：字段长16位，由UDP头部和UDP数据的内容计算得出，用于检查在传输过程中是否出现错误。

TCP

TCP是一种面向连接的协议，在数据传输前必须在发送方和接收方之间建立连接，还通过校验和、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；只支持点对点的单播传输方式，提供全双工通信，在不保留报文边界的情况下以字节流的方式进行数据传输；适用于对传输可靠性要求高的应用（例如文件传输）。

TCP的特点

三次握手建立连接：确保连接建立的可靠性；
端口号：通过端口号识别上层协议和服务，实现网络的多路复用；
完整性校验：通过计算校验和，保证接收端能检测出传输过程中可能出现的错误；
确认机制：对于正确接收到的数据，接收端通过确认应答告知发送端，超出一定时间后，发送端将重传没有被确认的段，确保传输的可靠性；
序列号：发送的数据都有唯一的序列号，标识了每一个段，接收端可以通过序列号实现丢失检测、乱序重排等功能；
窗口机制：通过可调节的窗口，接收端可以告知希望的发送速度，控制数据流量。

TCP格式

TCP头部由一个20字节的固定长度加上可变长的选项字段组成。

源端口号：字段长16位，表示发送端TCP端口号。
目的端口号：字段长16位，表示接收端TCP端口号。
序列号：字段长32位，是指TCP段数据的位置序号，根据序列号来判断是否存在重收、漏收、乱序等情况。
确认号：字段长32位，是指下一次应该收到的数据的序列号，收到这个确认号，表示这个确认号之前的数据都已经正常收到。
数据偏移：字段长4位，表示TCP数据从哪一位开始计算，也可看作TCP头部的长度。
保留：字段长6位，保留给以后扩展使用。
控制位：字段长6位，每1位标志位可以打开一个控制功能；
- URG：标志位为1时，表示有需要紧急处理的数据；
- ACK：标志位为1时，表示确认应答有效；
- PSH：标志位为1时，表示将数据立即上传给应用程序，而不是在缓冲区排队；
- RST：标志位为1时，表示TCP连接出现异常，必须强制断开连接；
- SYN：标志位为1时，表示请求建立连接，并设置序列号的初始值；
- FIN：标志位为1时，表示数据发送结束，请求断开TCP连接。
窗口：字段长16位，表示滑动窗口的大小。
校验和：字段长16位，由TCP头部和TCP数据的内容计算得出，用于检查在传输过程中是否出现错误。
紧急指针：字段长16位，表示紧急数据的长度；当URG位为1时，该字段才生效。
选项：字段的长度是可变的；通过添加不同的选项来实现TCP的一些扩展功能。
填充：如果TCP段的头部长度不是4字节的整数倍，就填充若干0，来保证头部长度是4字节的整数倍。
数据：TCP段的数据部分，字段最大是MSS。

补充

窗口控制

TCP是以1个段为单位，每发送一个段进行一次确认应答，如果包的往返时间越长，通信性能就越低。所以，TCP引入了窗口的概念，确认应答不再是每个分段，而是以窗口的大小来进行确认，窗口大小即指无需等待确认应答，而可以继续发送数据的最大值。因为窗口大小是一个16位字段，因此窗口最大为65535字节。在TCP传输过程中，双方通过交换窗口的大小来表示自己剩余的缓冲区（Buffer）空间，以及下一次能接受的最大数据量，避免缓冲区的溢出。

在发送数据的过程中，窗口内的数据即使没有收到确认应答也可以发送出去。若窗口中的数据在传输过程中丢失，也需要进行重发。因此，发送端在收到确认应答前，必须保留缓冲区中的该部分数据。