UDP与TCP详解

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1.UDP
2.TCP
3.UDP与TCP比较

1.UDP

1.1什么是UDP协议

UDP协议全称是用户数据报协议，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议。在OSI模型中，在第四层——传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。

1.2UDP的包头

在这里插入图片描述

1.3UDP的特点

面向无连接
有单播，多播，广播的功能
UDP是面向报文的
不可靠性
头部开销小，传输数据报文时是很高效的。

1.4基于 UDP 的几个例子

直播。直播对实时性的要求比较高，宁可丢包，也不要卡顿的，所以很多直播应用都基于 UDP 实现了自己的视频传输协议
实时游戏。游戏的特点也是实时性比较高，在这种情况下，采用自定义的可靠的 UDP 协议，自定义重传策略，能够把产生的延迟降到最低，减少网络问题对游戏造成的影响
物联网。一方面，物联网领域中断资源少，很可能知识个很小的嵌入式系统，而维护 TCP 协议的代价太大了；另一方面，物联网对实时性的要求也特别高。比如 Google 旗下的 Nest 简历 Thread Group，推出了物联网通信协议 Thread，就是基于 UDP 协议的

2.TCP

2.1什么是TCP协议

TCP协议全称是传输控制协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由 IETF 的RFC 793定义。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中的水流。

2.2TCP协议的包头

在这里插入图片描述

2.2TCP协议的包头介绍

16位源端口号：16位的源端口中包含初始化通信的端口。源端口和源IP地址的作用是标识报文的返回地址。
16位目的端口号：16位的目的端口域定义传输的目的。这个端口指明报文接收计算机上的应用程序地址接口。
32位序号：32位的序列号由接收端计算机使用，重新分段的报文成最初形式。当SYN出现，序列码实际上是初始序列码（Initial Sequence Number，ISN），而第一个数据字节是ISN+1。这个序列号（序列码）可用来补偿传输中的不一致。
32位确认序号：32位的序列号由接收端计算机使用，重组分段的报文成最初形式。如果设置了ACK控制位，这个值表示一个准备接收的包的序列码。
4位首部长度：4位包括TCP头大小，指示何处数据开始。
保留（6位）：6位值域，这些位必须是0。为了将来定义新的用途而保留。
标志：6位标志域。表示为：紧急标志、有意义的应答标志、推、重置连接标志、同步序列号标志、完成发送数据标志。按照顺序排列是：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。
16位窗口大小：用来表示想收到的每个TCP数据段的大小。TCP的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。窗口大小为字节数，起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节。窗口大小是一个16字节字段，因而窗口大小最大为65535字节。
16位校验和：16位TCP头。源机器基于数据内容计算一个数值，收信息机要与源机器数值结果完全一样，从而证明数据的有效性。检验和覆盖了整个的TCP报文段：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的。
16位紧急指针：指向后面是优先数据的字节，在URG标志设置了时才有效。如果URG标志没有被设置，紧急域作为填充。加快处理标示为紧急的数据段。
选项：长度不定，但长度必须为1个字节。如果没有选项就表示这个1字节的域等于0。
数据：该TCP协议包负载的数据。

6位标志位：

URG: 紧急指针是否有效
ACK: 确认号是否有效
PSH: 提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
RST: 对方要求重新建立连接; 我们把携带RST标识的称为复位报文段
SYN: 请求建立连接; 我们把携带SYN标识的称为同步报文段
FIN: 通知对方, 本端要关闭了, 我们称携带FIN标识的为结束报文段

2.2八大特性

（1）确认应答（保证稳定性的核心特性）
（2）超时重传：
a.为了解决确认应答的非正常情况
b.对于发送发重复消息的问题，不用担心，因为系统（内核）已经过滤掉了这些消息
超时重发策略：
a.以指数那么的形式进行超时重传
b.如果发送一定次数之后，还没有响应，那么就认为对方下线
（3）连接管理机制
连接：3次握手
断开连接：4次挥手

有连接必须有4个能力：
a.发送的发送能力
b.发送的接收能力
c.接收端的发送能力
d接收端的接收能力

注意事项:

1.两次握手不可以
2.四次握手可以，但是没有必要
3.三次挥手有可能可以，这个要看接收端缓冲区有没有任务，如果没有任务，那么三次挥手就可以

（4）滑动窗口
a.数据包已经抵达, ACK被丢了.
这种情况下, 部分ACK丢了并不要紧, 因为可以通过后续的ACK进行确认;
b. 数据包就直接丢了.
（5）流量控制
根据接收缓冲区的实际情况，控制发送的速度。
如果tcp协议头的16位窗口为0，表示接收缓冲区已经满了，不能再发了。此时发送端就不会进行消息发送了，发送端会定时发送一个探测包，用来检测接收缓冲区的大小，如果接收缓冲区有值了，那么消息就可以继续发送了。
（6）拥塞控制
和你当前网络有关
规则：发包从1开始，以默认值16为临界值，当小于此值的时候，以指数增长的方式发包，当等于这个此值就有线性增长的方式发包，一直到右大量丢包的请求（）
（7）延迟应答
注意事项：

延迟应答时间不能超过MSL（最大生存周期），如果超过MSL，就会触发超时重传（用来提高消息传输的性能）

（8）捎带应答

2.3TCP三次握手

TCP 的建立连接称为三次握手，可以简单理解为下面这种情况

A：您好，我是 A
B：您好 A，我是 B
A：您好 B

对于 A 来说它发出请求，并收到了 B 的响应，对于 B 来说它响应了 A 的请求，并且也接收到了响应。

TCP 的三次握手除了建立连接外，主要还是为了沟通 TCP 包的序号问题。

A 告诉 B，我发起的包的序号是从哪个号开始的，B 同样也告诉 A，B 发起的包的序号是从哪个号开始的。

双方建立连接之后需要共同维护一个状态机，在建立连接的过程中，双方的状态变化时序图如下所示
在这里插入图片描述

这是网上经常见到的一张图，刚开始的时候，客户端和服务器都处于 CLOSED 状态，先是服务端主动监听某个端口，处于 LISTEN 状态。然后客户端主动发起连接 SYN，之后处于 SYN-SENT 状态。服务端接收了发起的连接，返回 SYN，并且 ACK ( 确认 ) 客户端的 SYN，之后处于 SYN-SENT 状态。客户端接收到服务端发送的 SYN 和 ACK 之后，发送 ACK 的 ACK，之后就处于 ESTAVLISHED 状态，因为它一发一收成功了。服务端收到 ACK 的 ACK 之后，也处于 ESTABLISHED 状态，因为它也一发一收了。

2.4TCP四次挥手

说完建立连接，再说下断开连接，也被称为四次挥手，可以简单理解如下

A：B 啊，我不想玩了
B：哦，你不想玩了啊，我知道了
这个时候，只是 A 不想玩了，即不再发送数据，但是 B 可能还有未发送完的数据，所以需要等待 B 也主动关闭。
B：A 啊，好吧，我也不玩了，拜拜
A：好的，拜拜

这样整个连接就关闭了，当然上面只是正常的状态，也有些非正常的状态（比如 A 说完不玩了，直接跑路，B 发起的结束得不到 A 的回答，不知道该怎么办或则 B 直接跑路 A 不知道该怎么办），TCP 协议专门设计了几个状态来处理这些非正常状态
在这里插入图片描述

断开的时候，当 A 说不玩了，就进入 FIN_WAIT_1 的状态，B 收到 A 不玩了的消息后，进入 CLOSE_WAIT 的状态。

A 收到 B 说知道了，就进入 FIN_WAIT_2 的状态，如果 B 直接跑路，则 A 永远处与这个状态。TCP 协议里面并没有对这个状态的处理，但 Linux 有，可以调整 tcp_fin_timeout 这个参数，设置一个超时时间。

如果 B 没有跑路，A 接收到 B 的不玩了请求之后，从 FIN_WAIT_2 状态结束，按说 A 可以跑路了，但是如果 B 没有接收到 A 跑路的 ACK 呢，就再也接收不到了，所以这时候 A 需要等待一段时间，因为如果 B 没接收到 A 的 ACK 的话会重新发送给 A，所以 A 的等待时间需要足够长。

1.服务端状态转化:

[CLOSED -> LISTEN] 服务器端调用listen后进入LISTEN状态, 等待客户端连接;
-[LISTEN -> SYN_RCVD] 一旦监听到连接请求(同步报文段), 就将该连接放入内核等待队列中,
并向客户端发送SYN确认报文.
[SYN_RCVD -> ESTABLISHED] 服务端一旦收到客户端的确认报文, 就进入ESTABLISHED状态,
可以进行读写数据了.
[ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT] 当客户端主动关闭连接(调用close), 服务器会收到结束报文
段, 服务器返回确认报文段并进入CLOSE_WAIT;
[CLOSE_WAIT -> LAST_ACK] 进入CLOSE_WAIT后说明服务器准备关闭连接(需要处理完之前
的数据); 当服务器真正调用close关闭连接时, 会向客户端发送FIN, 此时服务器进入LAST_ACK
状态, 等待最后一个ACK到来(这个ACK是客户端确认收到了FIN)
[LAST_ACK -> CLOSED] 服务器收到了对FIN的ACK, 彻底关闭连接.

2.客户端状态转化:

[CLOSED -> SYN_SENT] 客户端调用connect, 发送同步报文段;
[SYN_SENT -> ESTABLISHED] connect调用成功, 则进入ESTABLISHED状态, 开始读写数据;
[ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1] 客户端主动调用close时, 向服务器发送结束报文段, 同时进入
FIN_WAIT_1;
[FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2] 客户端收到服务器对结束报文段的确认, 则进入FIN_WAIT_2, 开
始等待服务器的结束报文段;
[FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT] 客户端收到服务器发来的结束报文段, 进入TIME_WAIT, 并发出
LAST_ACK;
[TIME_WAIT -> CLOSED] 客户端要等待一个2MSL(Max Segment Life, 报文最大生存时间)的
时间, 才会进入CLOSED状态.