网络的经济基础篇-之一-TCP、UDP

1      UDP

UDP的数据部分是可选的

1.1     Length

以字节(8 bit)为单位，包括Header和Data，也就是说Length的最小值是8。

1.2     Checksum

计算方法和IPv4中的Checksum一样，但是IPv4中的检验只覆盖Header，而UDP和TCP的检验则覆盖它们的Header和Data。UDP的检验和是可选的，而TCP的检验和是必需的。

注意：UDP中Data的长度可以为奇数字节，但是检验和算法是把若干个16 bit字相加。解决方法是在最后增加填充字节0，这只是为了检验和的计算，也就是说填充字节不被传送。

注意：UDP和TCP都使用伪头部进行校验和的计算，计算时需要把伪头部放在原始UDP包头的前面。

如果检验和的计算结果为0，则存入的值为全1（因为在二进制反码运算中，二者是等价的）。如果传送的检验和为0，说明发送端没有计算检验和。

2      TCP

UDP的数据部分是可选的

2.1     Sequence Number

用来标识报文段中的第一个字节的序号。

注意：当建立一个新的连接时，SYN标志变1，此时的序号字段包含的是初始序号ISN（Initial Sequence Number），而报文段的第一个字节的序号为ISN+1，因为SYN标志消耗了一个序号。同样FIN标志也要占用一个序号。

2.2     Acknowledgment Number

只有ACK标志为1时，确认序号字段才有效。确认序号字段包含的是接收端所期望收到的下一个字节的序号。因此，确认序号应当是上次已成功收到的数据字节序号加1。

注意：连接一旦建立起来，ACK标志总是被设置为1，而且确认序号字段总是被设置。

2.3     Data Offset

以4字节（32 bit）为单位，TCP头的长度，包括Options和Padding字段。

2.4     Control Bits:

URG    ：紧急指针（urgent pointer）有效。

ACK    ：确认序号有效。

PSH      ：接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。

RST      ：Reset the connection

SYN     ：Synchronize sequence numbers

FIN      ：No more data from sender

2.5     Window

以字节（8 bit）为单位。窗口起始于确认序号字段指定的值。

2.6     Checksum

注意：UDP和TCP都使用伪头部进行校验和的计算，计算时需要把伪头部放在原始TCP包头的前面。TCP Length是TCP Header和Data的总长（以字节为单位）。

UDP的检验和是可选的，而TCP的检验和是必需的。

2.7     Urgent Pointer

只有当URG标志置1时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。

3      TCP三次握手/四次挥手

图1 TCP三次握手建立连接

在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接，如图1所示。

（1）第一次握手：建立连接时，客户端A发送SYN包（SYN=j）到服务器B，并进入SYN_SEND状态，等待服务器B确认。

（2）第二次握手：服务器B收到SYN包，必须确认客户A的SYN（ACK=j+1），同时自己也发送一个SYN包（SYN=k），即SYN+ACK包，此时服务器B进入SYN_RECV状态。

（3）第三次握手：客户端A收到服务器B的SYN＋ACK包，向服务器B发送确认包ACK（ACK=k+1），此包发送完毕，客户端A和服务器B进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据。

 

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

TCP采用四次挥手关闭连接如图2所示。

图2 TCP四次挥手关闭连接

（1）客户端A发送一个FIN，用来关闭客户A到服务器B的数据传送（报文段4）。

（2）服务器B收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1（报文段5）。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。

（3）服务器B关闭与客户端A的连接，发送一个FIN给客户端A（报文段6）。

（4）客户端A发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1（报文段7）。

 

1．为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次握手呢？

这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后，它可以把ACK和SYN（ACK起应答作用，而SYN起同步作用）放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可以未必会马上会关闭SOCKET，也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

 

2．为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？

这是因为虽然双方都同意关闭连接了，而且握手的4个报文也都协调和发送完毕，按理可以直接回到CLOSED状态（就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样）；但是因为我们必须要假想网络是不可靠的，你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到，因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文，而重发FIN报文，所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。