网络编程的学习（二）——TCP和UDP

1.TCP协议简介

TCP是TCP/IP协议栈中的传输层的协议，TCP协议又叫传输控制协议(Transport Control Protocal)，是面向连接的，可靠的字节流服务。它的可靠性体现在：1，滑动窗口机制；2，3次握手建立连接；3，一定的拥塞避免算法；4，流量控制；5，以及一定的超时重传机制。本文不介绍实现原理。
首先我们要学习TCP协议，首先当然要了解TCP报文的报文格式，下面就是TCP的报文格式，以及各个字段的意思

URG：该位为1说明表示TCP包的紧急指针域有效，用来保证TCP连接不被中断，并督促上层应用敢快处理这些数据。

ACK：确认号有效

PSH：接收方应尽快将这个报文交给应用层，叫做push。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序，而不是在缓冲区中排队。

RST：连接复位，复位因主机奔溃或其他原因而出现的错误连接，也可以用于拒绝非法的分段或拒绝连接请求，这个用处还是比较多的

SYN：是一个同步序号，通常与ACK合用用来建立连接。也就是常说的三次握手

FIN：既然有建立连接那么必然有拆除连接，这个字段表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN标志位的TCP数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。

2.传输层中的TCP

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，当应用程序采用 TCP 发送消息时，虽然可以保证发送的顺序，但还是犹如没有任何间隔的数据流发送给接收端。TCP 为提供可靠性传输，实行“顺序控制”或“重发控制”机制。此外还具备“流控制（流量控制）”、“拥塞控制”、提高网络利用率等众多功能。

三次握手

TCP 提供面向有连接的通信传输。面向有连接是指在数据通信开始之前先做好两端之间的准备工作。
所谓三次握手是指建立一个 TCP 连接时需要客户端和服务器端总共发送三个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发。

•第一次握手：客户端将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给服务器端，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认。
•第二次握手：服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务器端将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务器端进入SYN_RCVD状态。
•第三次握手：客户端收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。

问题：为什么不能是两次或者是四次握手？
1.为了实现可靠数据传输， TCP 协议的通信双方， 都必须维护一个序列号， 以标识发送出去的数据包中， 哪些是已经被对方收到的。 三次握手的过程即是通信双方相互告知序列号起始值， 并确认对方已经收到了序列号起始值的必经步骤。
2.如果只是两次握手， 至多只有连接发起方的起始序列号能被确认， 另一方选择的序列号则得不到确认。

四次挥手

•四次挥手即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。
•由于TCP连接是全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭。

•中断连接端可以是客户端，也可以是服务器端。
•第一次挥手：客户端发送一个FIN=M，用来关闭客户端到服务器端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态。意思是说"我客户端没有数据要发给你了"，但是如果你服务器端还有数据没有发送完成，则不必急着关闭连接，可以继续发送数据。
•第二次挥手：服务器端收到FIN后，先发送ack=M+1，告诉客户端，你的请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息。这个时候客户端就进入FIN_WAIT_2 状态，继续等待服务器端的FIN报文。
•第三次挥手：当服务器端确定数据已发送完成，则向客户端发送FIN=N报文，告诉客户端，好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了。服务器端进入LAST_ACK状态。
•第四次挥手：客户端收到FIN=N报文后，就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕服务器端不知道要关闭，所以发送ack=N+1后进入TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。服务器端收到ACK后，就知道可以断开连接了。客户端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明服务器端已正常关闭，那好，我客户端也可以关闭连接了。最终完成了四次握手。

滑动窗口

•上图中的窗口内的数据即便没有收到确认应答也可以被发送出去。不过，在整个窗口的确认应答没有到达之前，如果其中部分数据出现丢包，那么发送端仍然要负责重传。为此，发送端主机需要设置缓存保留这些待被重传的数据，直到收到他们的确认应答。
•在滑动窗口以外的部分包括未发送的数据以及已经确认对端已收到的数据。当数据发出后若如期收到确认应答就可以不用再进行重发，此时数据就可以从缓存区清除。
•收到确认应答的情况下，将窗口滑动到确认应答中的序列号的位置。这样可以顺序地将多个段同时发送提高通信性能。这种机制也别称为滑动窗口控制。

3.UDP

•UDP 不提供复杂的控制机制，利用 IP 提供面向无连接的通信服务。
•并且它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。即使是出现网络拥堵的情况，UDP 也无法进行流量控制等避免网络拥塞行为。
•此外，传输途中出现丢包，UDP 也不负责重发。
•甚至当包的到达顺序出现乱序时也没有纠正的功能。
•如果需要以上的细节控制，不得不交由采用 UDP 的应用程序去处理。
•UDP 常用于以下几个方面：1.包总量较少的通信（DNS、SNMP等）；2.视频、音频等多媒体通信（即时通信）；3.限定于 LAN 等特定网络中的应用通信；4.广播通信（广播、多播）。

4.TCP和UDP的比较

TCP的优缺点
（1）TCP的优点：
TCP的优点是：可靠、稳定。它体现在TCP在传递数据之前，会有三次握手来建立连接；在数据传递时，采用校验和、序列号、确认应答、超时重发、流量控制、拥塞控制，为了提高性能，还采用了滑动窗口、延迟应答和捎带应答等机制；在数据传完后，会断开连接以节约系统资源。
（2）TCP的缺点：
TCP的缺点：运行速度慢，效率低，占用系统资源多，易被攻击。因为TCP在传递数据之前，要先建立连接，这会消耗时间；在数据传递时，确认机制、重传机制、拥塞控制机制等都会消耗大量的时间，而且要在每台设备上维护所有的传输连接，每个连接都会占用系统的CPU、内存等资源；TCP有确认机制、三次握手机制，这导致TCP容易受到DOS、DDOS、CC等攻击。收到STN洪水攻击，是因为使用 TCP的时候服务器端需要listen，这时需要设置backlog。

UDP的优缺点
（1）UDP的优点：运行速度较快，比TCP安全。
1）运行速度快，因为 UDP连接没有TCP的三次握手、确认应答、超时重发、流量控制、拥塞控制等机制，而且UDP是一个无状态的传输协议，所以它在传递数据时非常快。
2）较安全，因为没有TCP的那些机制，UDP较TCP被攻击者利用的漏洞就会少一些。但UDP也是无法避免攻击的，比如：UDP Flood攻击等。
（2）UDP的缺点：不可靠，不稳定。
因为UDP没有TCP那些可靠的机制，在数据传递时，如果网络质量不好，就会很容易丢包。

TCP和UDP的特点
（1）TCP的特点
TCP协议是一种有连接、可靠的、面向字节流、相对比较慢、点对点的传输层协议。TCP协议适用于对可靠性要求比较高的场合。

（2）UDP的特点
UDP协议是一种无连接，不可靠、面向数据报、速度比较快、可实现一对一，多对一的传输层协议。UDP协议适用于对实时性有要求的场合。因为UDP不保证可靠性，所以UDP也没有重传机制，也没有拥塞机制，它只是尽最大努力交付数据。