UDP 和 TCP 的特点

用户数据包协议 UDP(User Datagram Protocol)

传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol)


UDP:
    是无连接的,尽最大可能交付,没有拥塞控制,面向报文(对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分,只是添加 UDP 首部)。

TCP:
    是面向连接的,提供可靠交付,有流量控制,拥塞控制,提供全双工通信,面向字节流
    (把应用层传下来的报文看成字节流,把字节流组织成大小不等的数据块)。


UDP 首部格式:
    首部字段只有 8 个字节,包括源端口、目的端口、长度、检验和。
    12 字节的伪首部是为了计算检验和而临时添加的。


TCP 首部格式:

    序号 :用于对字节流进行编号,例如序号为 301,表示第一个字节的编号为 301,
            如果携带的数据长度为 100 字节,那么下一个报文段的序号应为 401。

    确认号 :期望收到的下一个报文段的序号。
            因此 B 期望下一个报文段的序号为 701,B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。

    数据偏移 :指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量,实际上指的是首部的长度。

    确认 ACK :当 ACK=1 时确认号字段有效,否则无效。TCP 规定,在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1。

    同步 SYN :在连接建立时用来同步序号。
            当 SYN=1,ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。
            若对方同意建立连接,则响应报文中 SYN=1,ACK=1。

    终止 FIN :用来释放一个连接,当 FIN=1 时,表示此报文段的发送方的数据已发送完毕,并要求释放运输连接。

    窗口 :窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。之所以要有这个限制,是因为接收方的数据缓存空间是有限的。

UDP首部

TCP首部

TCP 的三次握手

假设 A 为客户端,B 为服务器端。

首先 B 处于 LISTEN(监听)状态,等待客户的连接请求。

    1. A 向 B 发送连接请求报文段,SYN=1,ACK=0,选择一个初始的序号 x。

    2. B 收到连接请求报文段,如果同意建立连接,则向 A 发送连接确认报文段,SYN=1,ACK=1,
        确认号为 x+1,同时也选择一个初始的序号 y。

    3. A 收到 B 的连接确认报文段后,还要向 B 发出确认,确认号为 y+1,序号为 x+1。
        B 收到 A 的确认后,连接建立。

TCP 的四次挥手

ACK 在连接建立之后都为 1。

    1. A 发送连接释放报文段,FIN=1;

    2. B 收到之后发出确认,此时 TCP 属于半关闭状态,B 能向 A 发送数据但是 A 不能向 B 发送数据;

    3. 当 B 要不再需要连接时,发送连接释放请求报文段,FIN=1;

    4. A 收到后发出确认,此时连接释放。

TIME_WAIT

客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入此状态,
此时并不是直接进入 CLOSED 状态,还需要等待一个时间计时器设置的时间。这么做有两个理由:

    1. 确保最后一个确认报文段能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文段,那么就会重新发送连接释放请求报文段,
        A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。

    2. 可能存在“已失效的连接请求报文段”,为了防止这种报文段出现在本次连接之外,需要等待一段时间。

TCP 滑动窗口

窗口是缓存的一部分,用来暂时存放字节流。发送方和接收方各有一个窗口:

    接收方通过 TCP 报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小,发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。

    发送窗口内的字节都允许被发送,接收窗口内的字节都允许被接收。

    如果发送窗口左部的字节已经发送并且收到了确认,那么就将发送窗口向右滑动一定距离,
    直到左部第一个字节不是已发送并且已确认的状态;
    接收窗口的滑动类似,接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机,就向右滑动接收窗口。


接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认:

    例如接收窗口已经收到的字节为 {31, 32, 34, 35},其中 {31, 32} 按序到达,而 {34, 35} 就不是,
    因此只对字节 32 进行确认。发送方得到一个字节的确认之后,就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。

TCP 可靠传输

TCP 使用超时重传来实现可靠传输:
    如果一个已经发送的报文段在超时时间内没有收到确认,那么就重传这个报文段。

TCP 流量控制

流量控制是为了控制发送方发送速率,保证接收方来得及接收。

接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小,从而影响发送方的发送速率。
例如将窗口字段设置为 0,则发送方不能发送数据。

TCP 拥塞控制

如果网络出现拥塞,分组将会丢失,此时发送方会继续重传,从而导致网络拥塞程度更高。

因此当出现拥塞时,应当控制发送方的速率。

这一点和流量控制很像,但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接受,而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。


TCP 主要通过四种算法来进行拥塞控制:
    慢开始、
    拥塞避免、
    快重传、
    快恢复。
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