TCP协议与UDP协议

1.TCP协议

（1）TCP协议首部格式，三次握手，四次挥手，详情请见文章《当我们使用浏览器访问一个网页时，服务器与我们的主机内部，发生了什么？》第四部分扩展知识篇。

（2）连接管理

                在数据传输开始前，发送方会发送SYN，请求确认连接，如果服务器端未确认，则不可以进行数据通信，直接断开连接。当数据传输完成后，发送方会发送FIN请求终止连接。

（3）确认应答

                在TCP协议中，当发送端的数据到达接收主机时，接收端主机会返回一个已收到消息的通知，这个消息叫做确认应答（ACK）。TCP通过肯定的确认应答（ACK）实现可靠的数据传输。当发送端将数据发出去之后会等待接收端的确认应答。如果有确认应答，说明数据已经成功到达接收端。反之，则数据丢失的可能性很大。

（4）重传机制

       重传 超时

                再次发送数据包之前，等待确认应答的特定的时间间隔，如果超过特定时间间隔，未收到回复，则会再次发送数据包，等待确认应答。如果第二次也不应答，则下次发送时间呈指数倍上涨，如果多次重发都没有回复，则强制关闭连接。

 一般的Linux与Windows系统设置的超时时间间隔为6s（一般都是0.5s的整数倍）左右。       

 

        超时重传

                 重传机制中的一种，如果超过了超过了超时时间间隔并且无应答，或者数据包丢失，则会进行数据包重发。

 

        快速重传

                当收到三个相同的ACK报文时，会在重传超时过期之前，重传丢失的报文段。

                存在的问题：当触发重传机制时，是重传所有数据，还是重传之前的那个？

 

        SACK方法

                为了解决快速重传出现的问题，出现了SACK（Selective Acknowledgment  选择性确认）方法。

                工作机制：在TCP报文中的首部选项中，添加SACK。SACK缓存了所有了数据地图。当快速重传发生时，就可以清晰的知道哪些是应该重新发送的了。

（5）滑动窗口

                在TCP首部格式中的窗口，表示了接收方一次能接受多少来自发送发的数据包，是接受方系统专门开辟出来的一块缓存空间，保证了数据传输效率。

                为了避免在数据传输过程中，由于数据包往返时间过长，而导致的传输效率太低。TCP协议引进了窗口的概念。发送方主机在等到确认应答返回之前，必须在缓冲区中保留已发送的数据。如果按期收到确认应答，此时数据就可以从缓存区清除。即使在往返时间较长的情况下，它也不会降低网络通信的效率。

TCP协议通过滑动窗口解决了流量控制和乱序重排。

（6）流量控制

        TCP协议通过滑动窗口来进行流量控制，流量控制是为了控制发送方的发送速率。如果TCP首部的窗口设置为零，则代表接收方没有内存空间用于数据接受。

（7）拥塞控制

        拥塞控制主要是为了避免网络中出现大量的数据，从而导致路由器或链路过载。

        流量控制主要是为了让接收方能来得及接受。

        而拥塞控制主要是为了降低整个网络的拥塞程度。

 

        拥塞控制的四个算法：

        发送方需要维护一个叫cwnd（）的状态变量。

        1.慢开始

                在数据第一次传输开始时，不会发送大量的数据，首先会让cwnd=1，确保网络通畅的情况下，才会在下次发送数据时，让cwnd=2，之后的每次发送，都会比上一次多一倍。

 

        2.拥塞避免

                当慢开始进行时，每轮次都是上一轮的两倍，如果一直进行下去，之后的每次发送的数据量过于巨大，就必然会产生网络拥塞，为了避免其出现。我们定义了一个慢开始门限ssthresh，当 cwnd >= ssthresh 时，进入拥塞避免，每个轮次只将 cwnd加 1。如果出现了超时，则令 ssthresh = cwnd / 2，然后开始执行快恢复。

        3.快重传

                当发送发连续三次出现 来自接收方的确认，就会立即重传对方尚未收到的报文段。

 

        4.快恢复

                当快重传生效后，数据传输不会执行慢开始，而是会让ssthread = 当前CWND / 2 ，并让cwnd = ssthread，然后直接执行拥塞避免算法，每次传输数据，都在上次的cwnd基础上+1.

 

（8）TCP协议如何保证传输可靠性

• 校验和：端对端的确认，如果在传输过程中，双方收到的检验和有任何差错，TCP就会拒绝确认此报文段。
• 序列号：TCP将传输的每个字节都进行了编号，用于确认应答。
• 超时重发：当第一次发送的数据包超过规定时间，没有得到回复，就会启动超时重发（重新·发送）。
•  ACK：确认应答，只有ACK=1，发送方才会认为接收方收到数据。
• 连接管理：TCP提供面向对象的连接管理，在发送数据之前，有确认的流程。
• 流量控制：TCP使用的流量控制协议，就是滑动窗口协议，一方面控制数据传输流量，另一方面可以防止包丢失。
• 窗口管理：TCP通过设置窗口的大小值，通过配合“滑动窗口”，实行并发机制。确保传输效率。
• ARQ协议：分组发送，当确认发送后，在进行下一个组的发送。

 

2.UDP协议

        User Datagram tocal（用户数据协议），提供面向无连接的通信服务.在它收到应用程序发来的数据后，原封不动的发到网上。使用时需要充分考虑好上层协议，并制作相应的应用程序。

（1）UDP协议的场景

1. 包含总量较少的通信（SMTP DNS等）。
2. 视频，音频等多媒体通信（及时通信）。
3. 广播通信。

（2）UDP协议的特点：

• 面向报文传输，不保证交付，不堵塞，适合多媒体通信。
• 支持一对一，一对多，多对一，多对多的交互通信。
• UDP的首部只有8个字节。

（3）UDP协议的首部格式

 由数据字段与报文首部组成。 

 

3.TCP协议与UDP协议的区别

类型	特点
	是否面向连接	传输可靠性	传输形式
TCP	是	可靠	字节流
UDP	否	不可靠	数据报文段

        UDP在传输数据的时候，不需要建立连接，接收方也不需要确认消息，数据传输速度快，主要用于网络即时通话，广播，直播等。

        TCP提供面向连接的服务，在传输数据的时候需要建立连接，数据传输后释放连接。它在数据传输是的可靠性上拥有数据重传，数据确认，流量控制，拥塞避免等。但是也增加许多性能开销，例如：超时重传，连接管理。流量控制，拥塞避免等。TCP一般用于文件传输，数据下载，收发邮件，远程登陆等。