传输层协议TCP/UDP

搁浅的波塞冬
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tcp/ip协议族的传输层协议

TCP:传输控制协议
UDP:用户数据报协议

TCP特性

  1. 工作在传输层
  2. 面向连接协议
  3. 全双工协议
  4. 半关闭
  5. 错误检查
  6. 将数据打包成段，排序
  7. 确认机制
  8. 数据恢复，重传
  9. 流量控制，滑动窗口

UDP特性

  1. 工作在传输层
  2. 提供不可靠的网络访问
  3. 非面向连接协议
  4. 有限的错误检查
  5. 传输性能高
  6. 无数据恢复特性

TCP报文段

TCP将若干个字节构成的一个分组，称为报文段（Segment)。TCP报文段封装在IP数据报中。

报文段.png

  • 源端口、目标端口： 计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个,即 65536 （0-65535）

  • 序列号： 表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号回绕，再次从0 开始 无限循环

  • 确认号：（ack）表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送方：我希望你（指发送方）下次发送的数据的第一个字节数据的编号为此确认号：传输是否有问题？

  • 数据偏移／首部长度：表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。该字段的单位是32位(即4个字节为计算单位），4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节

  • 控制位

    URG（紧急位） ：表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只有当URG=1时才有效

    ACK（确认位）： 表示是否前面确认号字段是否有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效。TCP规定，连接建立后，ACK必须为1,带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段

    PSH（急切位）： 提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中

    RST（重置位）： 如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志的TCP报文段称为复位报文段

    SYN（同步位）： 在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1，ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段

    FIN（断开位）： 表示通知对方本端要关闭连接了，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，即告诉对方：“我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了”，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段

  • 窗口大小： 表示现在允许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量，达到此值，需要ACK确认后才能再继续传送后面数据，由Window size value * Window size scaling factor（此值在三次握手阶段TCP选项Window scale协商得到）得出此值

  • 校验和： 提供额外的可靠性紧急指针：标记紧急数据在数据字段中的位置

  • 选项部分： 其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为：(2^4-1)*4-20=40字节

TCP的三次握手与四次挥手

TCP的三次握手

image-20220111010847549.png 当pc1想和pc2建立起连接将连接信息写入报文

第一步：pc1会发送一个 建立连接的请求报文：这个报文中有

  1. 报文的序号（seq=x）
  2. 请求建立连接关系：SYN=1 ACK=0

第二步：当pc2 收到消息以后 是不是要回复一个报文

  1. 报文的序号 （seq=y）
  2. ack确认号（ 我希望你下一次发送x+1序号的报文给你）
  3. 控制位 SYN=1 ACK=1 同意建立连接

第三步：收到 pc2 同意建立连接的报文后

  1. 报文的序号（seq=x+1）
  2. ack确认号（ 我希望你下一次发送y+1序号的报文给你）
  3. 最后将ACK=1封装进去

image-20220111015419108.png

TCP的四次挥手

image-20220111015336685.png

有限状态机（扩展）

  1. CLOSED 没有任何连接状态
  2. LISTEN 侦听状态，等待来自远方TCP端口的连接请求 （服务开启 http（进程） 80端口在帮进程 看着 有没有人找 http ）
  3. SYN-SENT 在发送连接请求后，等待对方确认
  4. SYN-RECEIVED 在收到和发送一个连接请求后，等待对方确认
  5. ESTABLISHED 代表传输连接建立，双方进入数据传送状态
  6. FIN-WAIT-1 主动关闭,主机已发送关闭连接请求，等待对方确认
  7. FIN-WAIT-2 主动关闭,主机已收到对方关闭传输连接确认，等待对方发送关闭传输连接请求
  8. TIME-WAIT 完成双向传输连接关闭，等待所有分组消失
  9. CLOSE-WAIT 被动关闭,收到对方发来的关闭连接请求，并已确认
  10. LAST-ACK 被动关闭,等待最后一个关闭传输连接确认，并等待所有分组消失
  11. CLOSING 双方同时尝试关闭传输连接，等待对方确认

客户端先发送一个FIN给服务端，自己进入FIN_WAIT_1状态，这时等待接收服务端报文，该报文会有三种可能：

  • 只有服务端的ACK
  • 只有服务端的FIN
  • 基于服务端的ACK，又有FIN

TCP半关闭状态是什么情况

客户机向服务器发送了FIN请求，服务器也给予了ACK响应。但是，服务器和客户机之间还有数据要传输，因此服务器没有向客户机立即发送FIN请求。

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