TCP/UDP

阿龙不写BUG
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UDP

UDP(User Datagram Protocol: 用户数据报协议)，是一个非常简单的协议

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特点

UDP协议的特点：

  • UDP是无连接协议；
  • UDP不能保证可靠的交付数据； （即不可靠传输）
  • UDP是面向报文传输的；
  • UDP没有拥塞控制；
  • UDP首部开销很小。

TCP

TCP(Transmission Control Protocol: 传输控制协议)，是计算机网络中非常复杂的一个协议。

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特点

TCP协议的特点：

  • TCP是面向连接的协议；
  • TCP是面向字节流的协议；
  • TCP的一个连接有两端，即点对点通信；
  • TCP提供可靠的传输服务；
  • TCP协议提供全双工通信（每条TCP连接只能一对一）

功能

TCP协议的功能：

  1. 对应用层报文进行分段和重组；
  2. 面向应用层实现复用与分解；
  3. 实现端到端的流量控制；
  4. 拥塞控制；
  5. 传输层寻址；
  6. 对收到的报文进行差错检测（首部和数据部分都检错）；
  7. 实现进程间的端到端可靠数据传输控制。

三次握手

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为什么需要三次握手？

  1. 第一次握手：客户发送请求，此时服务器知道客户能发；
  2. 第二次握手：服务器发送确认，此时客户知道服务器能发能收；
  3. 第三次握手：客户发送确认，此时服务器知道客户能收。

详细过程

第一次：客户向服务器发送连接请求段，建立连接请求控制段（SYN=1），表示传输的报文段的第一个数据字节的序列号是x，此序列号代表整个报文段的序号（seq=x）；客户端进入 SYN_SEND （同步发送状态）；

第二次：服务器发回确认报文段，同意建立新连接的确认段（SYN=1），确认序号字段有效（ACK=1），服务器告诉客户端报文段序号是y（seq=y），表示服务器已经收到客户端序号为x的报文段，准备接受客户端序列号为x+1的报文段（ack_seq=x+1）；服务器由LISTEN进入SYN_RCVD （同步收到状态）;

第三次:客户对服务器的同一连接进行确认.确认序号字段有效(ACK=1),客户此次的报文段的序列号是x+1(seq=x+1),客户期望接受服务器序列号为y+1的报文段(ack_seq=y+1);当客户发送ack时，客户端进入ESTABLISHED 状态;当服务收到客户发送的ack后，也进入ESTABLISHED状态;第三次握手可携带数据;

四次挥手

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为什么要四次挥手？

CLOSE-WAIT

客户端发送了 FIN 连接释放报文之后，服务器收到了这个报文，就进入了 CLOSE-WAIT 状态。这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据，传送完毕之后，服务器会发送 FIN 连接释放报文。

TIME-WAIT

客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入此状态，此时并不是直接进入 CLOSED 状态，还需要等待一个时间计时器设置的时间 2MSL。

为什么A在TIME-WAIT状态必须等待2MSL的时间呢？

这么做有两个理由：

  • 为了保证A发送的最后一个ACK报文段能够到达B。 A发送的这个ACK报文段有可能丢失，如果 B 没收到 A 发送来的确认报文，那么A就会重新发送连接释放请求报文，A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。
  • 防止“已经失效的连接请求报文段”出现在本链接中。 A在发送完最后一个ACK报文段后，再经过时间2MSL，就可以使本连接的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样下一个新的连接中就不会出现这种旧的连接请求报文段。

假设客户端不等待2MSL，而是在发送完ACK之后直接释放关闭，一但这个ACK丢失的话，服务器就无法正常的进入关闭连接状态。

详细过程

第一次：客户向服务器发送释放连接报文段，发送端数据发送完毕，请求释放连接（FIN=1），传输的第一个数据字节的序号是x（seq=x）；客户端状态由ESTABLISHED进入FIN_WAIT_1（终止等待1状态） ；

第二次：服务器向客户发送确认段，确认字号段有效（ACK=1），服务器传输的数据序号是y（seq=y），服务器期望接收客户数据序号为x+1（ack_seq=x+1）;服务器状态由ESTABLISHED进入CLOSE_WAIT（关闭等待） ；客户端收到ACK段后，由FIN_WAIT_1进入FIN_WAIT_2；

第三次:服务器向客户发送释放连接报文段，请求释放连接（FIN=1），确认字号段有效（ACK=1），表示服务器期望接收客户数据序号为x+1（ack_seq=x+1）;表示自己传输的第一个字节序号是y+1（seq=y+1）；服务器状态由CLOSE_WAIT 进入 LAST_ACK （最后确认状态） ；

第四次：客户向服务器发送确认段，确认字号段有效（ACK=1），表示客户传输的数据序号是x+1（seq=x+1），表示客户期望接收服务器数据序号为y+1+1（ack_seq=y+1+1）；客户端状态由FIN_WAIT_2进入TIME_WAIT，等待2MSL时间，进入CLOSED状态；服务器在收到最后一次ACK后，由LAST_ACK进入CLOSED；

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报文的连接请求后，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， 所以你可能未必会马上会关闭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。

不可靠传输带来的问题

不可靠传输信道在数据传输中可能发生的情况：比特差错、乱序、重传、丢失

TCP怎么保证可靠性？简述TCP建立连接和断开连接的过程？

  1. 序列号，确认应答，超时重传

    数据到达接收方，接收方需要发出一个确认应答，表示已经收到该数据段，并且确认序号会说明了它下一次需要接收的数据序列号。如果发送方迟迟未收到确认应答，那么可能是发送的数据丢失，也可能是确认应答丢失，这时发送方在等待一定时间后会进行重传。这个时间一般是2*RTT(报文段往返时间）+一个偏差值

  2. 校验和

    TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段

  3. 拥塞控制

    人如果把拥塞窗口cwnd定的很大，那么发送端不停的发送数据，有可能导致网络拥塞。一般会有慢启动和拥塞避免和快速重传策略。

慢启动：定义拥塞窗口，一开始设为1，之后每次收到一个确认应答（经过一个RTT），窗口大小乘2.

拥塞避免：设置慢启动阈值，一般开始都为65536。拥塞避免指当前拥塞窗口大小达到这个阈值，拥塞窗口的值不再指数上升，而是加法增加，（每次确认应答/每个RTT，拥塞窗口+1），以避免拥塞。

报文超时处理：包括快速重传和快速恢复两种。报文超时重传看作一次拥塞，一旦发生超时重传，窗口阈值变为原来大小的一半，并且将窗口大小设为初始值1，然后进入慢启动过程。

快速重传：

在 TCP 传输过程中，如果发生了丢包，接收端就会发送之前重复 ACK，比如 第 5 个包丢了，6、7 达到，然后接收端会为 5，6，7 都发送第四个包的 ACK，这个时候发送端受到了 3 个重复的 ACK，意识到丢包了，就会马上进行重传，而不用等到 RTO （超时重传的时间）

*选择性重传：报文首部可选性中加入 SACK 属性，通过 left edge 和 right edge 标志那些包到了，然后重传没到的包

快速恢复：

当发送方连续收到了三次重复ACK时，就认为当前网络处于拥塞状态，就会进入快速恢复：

  • 将拥塞阈值降低为拥塞窗口的一半；
  • 将拥塞窗口的大小变为拥塞阈值；
  • 接着拥塞窗口再线性增加，以适应网络环境；

可靠传输的工作原理

TCP发送的报文段是交给 IP 层传送的，但IP层只能提供尽最大努力服务，那么TCP 下面的网络提供的是不可靠的传输，因此，TCP必须采用适当的措施才能使两个运输层之间的通信变得可靠。

理想的传输条件

  • 传输信道不产生差错
  • 不管发送方以多快的速度发送数据，接收方总是来得及处理收到的数据

使用可靠传输协议达到上述条件，使不可靠的传输信道变为可靠传输信道

基于不可靠信道实现可靠数据传输采取的措施：

  • 差错检测：利用编码实现数据包传输过程中的比特差错检测
  • 确认：接收方向发送方反馈接收状态
  • 重传：发送方重新发送接收方没有正确接收的数据
  • 序号：确保数据按序提交
  • 计时器：解决数据丢失问题；

1️⃣停止等待协议：是最简单的可靠传输协议，但是该协议对信道的利用率不高。

2️⃣连续ARQ(Automatic Repeat reQuest：自动重传请求)协议：滑动窗口+累计确认，大幅提高了信道的利用率。

TCP协议的可靠传输实现

基于连续ARQ协议，但在某些情况下，重传的效率并不高，会重复传输部分已经成功接收的字节。

TCP协议的流量控制

流量控制：让发送方发送速率不要太快，TCP协议使用滑动窗口实现流量控制。

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TCP协议的拥塞控制

拥塞控制与流量控制的区别：流量控制考虑点对点的通信量的控制，而拥塞控制考虑整个网络，是全局性的考虑。拥塞控制的方法：慢启动算法+拥塞避免算法。

慢开始和拥塞避免：

  1. 【慢开始】拥塞窗口从1指数增长；
  2. 到达阈值时进入【拥塞避免】，变成+1增长；
  3. 【超时】，阈值变为当前cwnd的一半（不能<2）；
  4. 再从【慢开始】，拥塞窗口从1指数增长。

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快重传和快恢复：

  1. 发送方连续收到3个冗余ACK，执行【快重传】，不必等计时器超时；
  2. 执行【快恢复】，阈值变为当前cwnd的一半（不能<2），并从此新的ssthresh点进入【拥塞避免】。

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TCP与UDP区别

  1. TCP是面向连接的协议，发送数据前要先建立连接，TCP提供可靠的服务，也就是说，通过TCP连接传输的数据不会丢失，没有重复，并且按顺序到达；
  2. UDP是无连接的协议，发送数据前不需要建立连接，是没有可靠性；
  3. TCP通信类似于于要打个电话，接通了，确认身份后，才开始进行通行；
  4. UDP通信类似于学校广播，靠着广播播报直接进行通信。
  5. TCP只支持点对点通信，UDP支持一对一、一对多、多对一、多对多；
  6. TCP是面向字节流的，UDP是面向报文的； 面向字节流是指发送数据时以字节为单位，一个数据包可以拆分成若干组进行发送，而UDP一个报文只能一次发完。
  7. TCP首部开销（20字节）比UDP首部开销（8字节）要大
  8. UDP 的主机不需要维持复杂的连接状态表

TCP和UDP各自适用的场景

两者都是传输层协议。

  • TCP是可靠的有连接的（收发双方必须建立连接才能传输，三次握手），而UDP是面向无连接的；
  • TCP是点对点传输，而UDP可以一对多，多对多，多对一的交互通信；
  • 可靠性：TCP是无差错，不丢失，不重复，按序到达；UDP是尽最大努力交付；
  • 拥塞控制，流量控制：TCP有拥塞控制和流量控制机制；UDP没有。
  • 首部开销：
    • TCP为20个字节
    • UDP为8个字节（源端口，目的端口，数据长度，校验和）
  • 适用场景： tcp适用于可靠性高的场景，而udp适用于实时性强的场景（即时通信，视频聊天）

对某些实时性要求比较高的情况使用UDP，比如游戏，媒体通信，实时直播，即使出现传输错误也可以容忍；其它大部分情况下，HTTP都是用TCP，因为要求传输的内容可靠，不出现丢失的情况

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资料来源

项目与面试

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