TCP和UDP总结

原文来自TCP UDP回顾

TCP

简介
TCP是在不可靠传输的IP层之上实现的可靠传输，主要解决传输的可靠性，有序，无丢失和不重复的问题。TCP是TCP/IP体系中的一个较复杂的协议。

特点
1）面向连接的
2）每一条TCP连接都是两个端点，是一对一的关系
3）TCP提供可靠的交付服务，保证传送的数据无差错，不丢失，不重复且有序
4）TCP提供全双工通信，TCP允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据，为此TCP两端都有发送缓存和接收缓存。
5）TCP是面向字节流的，尽管应用程序和TCP的交互试一次一个数据块（大小不等），但TCP把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流。

TCP详解

源端口号（ 16 位）：它（连同源主机 IP 地址）标识源主机的一个应用进程。

目的端口号（ 16 位）：它（连同目的主机 IP 地址）标识目的主机的一个应用进程。这两个值加上 IP 报头中的源主机 IP 地址和目的主机 IP 地址唯一确定一个 TCP 连接。

顺序号（ 32 位）：用来标识从 TCP 源端向 TCP 目的端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节的顺序号。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则 TCP 用顺序号对每个字节进行计数。序号是 32bit 的无符号数，序号到达 2 32 － 1 后又从 0 开始。当建立一个新的连接时， SYN 标志变 1 ，顺序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始顺序号 ISN （ Initial Sequence Number ）。

确认号（ 32 位）：包含发送确认的一端所期望收到的下一个顺序号。因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节顺序号加 1 。只有 ACK 标志为 1 时确认序号字段才有效。 TCP 为应用层提供全双工服务，这意味数据能在两个方向上独立地进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据顺序号。

TCP 报头长度（ 4 位）：给出报头中 32bit 字的数目，它实际上指明数据从哪里开始。需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占 4bit ，因此 TCP 最多有 60 字节的首部。然而，没有任选字段，正常的长度是 20 字节。

保留位（ 6 位）：保留给将来使用，目前必须置为 0 。

控制位（ control flags ， 6 位）：在 TCP 报头中有 6 个标志比特，它们中的多个可同时被设置为 1 。依次为：

URG ：为 1 表示紧急指针有效，为 0 则忽略紧急指针值。
ACK ：为 1 表示确认号有效，为 0 表示报文中不包含确认信息，忽略确认号字段。
PSH ：为 1 表示是带有 PUSH 标志的数据，指示接收方应该尽快将这个报文段交给应用层而不用等待缓冲区装满。
RST ：用于复位由于主机崩溃或其他原因而出现错误的连接。它还可以用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。一般情况下，如果收到一个 RST 为 1 的报文，那么一定发生了某些问题。
SYN ：同步序号，为 1 表示连接请求，用于建立连接和使顺序号同步（ synchronize ）。
FIN ：用于释放连接，为 1 表示发送方已经没有数据发送了，即关闭本方数据流。

窗口大小（ 16 位）：数据字节数，表示从确认号开始，本报文的源方可以接收的字节数，即源方接收窗口大小。窗口大小是一个 16bit 字段，因而窗口大小最大为 65535
.. 字节。

校验和（ 16 位）：此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。这是一个强制性的字段，一定是由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。

紧急指针（ 16 位）：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，和顺序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。 TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。

选项：最常见的可选字段是最长报文大小，又称为 MSS(Maximum Segment Size) 。每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置 SYN 标志的那个段）中指明这个选项，它指明本端所能接收的最大长度的报文段。选项长度不一定是 32 位字的整数倍，所以要加填充位，使得报头长度成为整字数。

数据： TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。

TCP发送数据过程

三次握手：
请求端（通常称为客户）发送一个 SYN 报文段（ SYN 为 1 ）指明客户打算连接的服务器的端口，以及初始顺序号（ ISN ）。

服务器发回包含服务器的初始顺序号（ ISN ）的 SYN 报文段（ SYN 为 1 ）作为应答。同时，将确认号设置为客户的 ISN 加 1 以对客户的 SYN 报文段进行确认（ ACK 也为 1 ）。

客户必须将确认号设置为服务器的 ISN 加 1 以对服务器的 SYN 报文段进行确认（ ACK 为 1 ），该报文通知目的主机双方已完成连接建立。

四次挥手：
关闭行为是在发起方数据发送完毕之后，给对方发出一个FIN（finish）数据段。直到接收到对方发送的FIN，且对方收到了接收确认ACK之后，双方的数据通信完全结束，过程中每次接收都需要返回确认数据段ACK。

详细过程：
第一阶段 客户机发送完数据之后，向服务器发送一个FIN数据段，序列号为i；
1.服务器收到FIN(i)后，返回确认段ACK，序列号为i+1，关闭服务器读通道；
2.客户机收到ACK(i+1)后，关闭客户机写通道；
（此时，客户机仍能通过读通道读取服务器的数据，服务器仍能通过写通道写数据）

第二阶段 服务器发送完数据之后，向客户机发送一个FIN数据段，序列号为j；
3.客户机收到FIN(j)后，返回确认段ACK，序列号为j+1，关闭客户机读通道；
4.服务器收到ACK(j+1)后，关闭服务器写通道。

这是标准的TCP关闭两个阶段，服务器和客户机都可以发起关闭，完全对称。
FIN标识是通过发送最后一块数据时设置的，标准的例子中，服务器还在发送数据，所以要等到发送完的时候，设置FIN（此时可称为TCP连接处于半关闭状态，因为数据仍可从被动关闭一方向主动关闭方传送）。如果在服务器收到FIN(i)时，已经没有数据需要发送，可以在返回ACK(i+1)的时候就设置FIN(j)标识，这样就相当于可以合并第二步和第三步。

TCP扩展问题：

什么是CLOSE_WAIT？

发起TCP连接关闭的一方称为client，被动关闭的一方称为server。被动关闭的server收到FIN后，但未发出ACK的TCP状态是CLOSE_WAIT。出现这种状况一般都是由于server端代码的问题，如果你的服务器上出现大量CLOSE_WAIT，应该要考虑检查代码。

什么是TIME_WAIT？

根据TCP协议定义的3次握手断开连接规定,发起socket主动关闭的一方 socket将进入TIME_WAIT状态。TIME_WAIT状态将持续2个MSL(Max Segment Lifetime),在Windows下默认为4分钟，即240秒。TIME_WAIT状态下的socket不能被回收使用. 具体现象是对于一个处理大量短连接的服务器,如果是由服务器主动关闭客户端的连接，将导致服务器端存在大量的处于TIME_WAIT状态的socket， 甚至比处于Established状态下的socket多的多,严重影响服务器的处理能力，甚至耗尽可用的socket，停止服务。

为什么需要TIME_WAIT？TIME_WAIT是TCP协议用以保证被重新分配的socket不会受到之前残留的延迟重发报文影响的机制,是必要的逻辑保证。

主动发起关闭连接的操作的一方将达到TIME_WAIT状态，而且这个状态要保持Maximum Segment Lifetime的两倍时间。为什么要这样做而不是直接进入CLOSED状态？
原因：
一、保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭
二、保证这次连接的重复数据段从网络中消失

原因一：如果Client直接CLOSED了，那么由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因，导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN，此时由于Client已经CLOSED了，就找不到与重发的FIN对应的连接，最后Server就会收到RST而不是ACK，Server就会以为是连接错误把问题报告给高层。这样的情况虽然不会造成数据丢失，但是却导致TCP协议不符合可靠连接的要求。所以，Client不是直接进入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，当再次收到FIN的时候，能够保证对方收到ACK，最后正确的关闭连接。

原因二：如果Client直接CLOSED，然后又再向Server发起一个新连接，我们不能保证这个新连接与刚关闭的连接的端口号是不同的。也就是说有可能新连接和老连接的端口号是相同的。一般来说不会发生什么问题，但是还是有特殊情况出现：假设新连接和已经关闭的老连接端口号是一样的，如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中，这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server，由于新连接和老连接的端口号是一样的，又因为TCP协议判断不同连接的依据是socket pair，于是，TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的，这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL，这样可以保证本次连接的所有数据都从网络中消失。

TCP的滑动窗口实现可靠传输以及拥塞控制算法

UDP

跟TCP相比，UDP协议要简单很多。

简介
UDP是面向报文的。发送发的UDP对应用层交下来的报文，再添加收不后就向下交付，不合并也不拆分，而是保留这些报文的边界；接收方UDO对IP层交上来的UDP用户数据报，在去除收不后就原封不动的交付给上层进程，一次交付一个完整的报文。所以报文不可分割是UDP数据报处理的最小单位。

UDP提供尽最大努力交付，不保证可靠传输，但不是说应用对数据的要求是不可靠的，所有维护传输可靠的工作需要用户在应用层完成。

特点：
1）无需建立连接
2）无连接状态
3）分组首部开销小（首部只有8字节）
4）应用层能更好的的控制要发送的数据和发送时间
5）UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信

UDP数据报

源端口：源端口号，在需要对方回信时选用。不需要时可用0

目的端口：目的端口号。在终点交付报文时必须使用到

长度：UDP数据报的长度，最小值为8字节

校验和：检测UDP数据报在传输中是否有错。有错就丢弃，该字段可选，不需要检验，该字段为0

UDP校验：

与IP数据报校验不同的是：IP只校验数据报首部，而UDP校验把首部和数据部分一起校验。

TCP与UDP的区别