传输层协议（TCP和UDP，三次握手与四次挥手）

小猪宝
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一、传输层TCP、UDP

1.TCP/IP协议栈介绍

TCP/IP是一个Protocol Stack，包括TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNET、FTP、SMTP、ARP等许多协议 。最早发源于1969年美国国防部（缩写为DoD）的因特网的前身ARPA网络项目，1983年1月1日，TCP/IP取代了旧的网络控制协议NCP，成为今天的互联网和局域网的基石和标准,由互联网工程任务组负责维护国防高级研究计划局DARPA与BBN技术公司、斯坦福大学和伦敦大学学院签约，在多个硬件平台上开发协议的操作版本。 在协议开发过程中，数据包路由层的版本号从版本 1 进展到版本 4，后者于 1983 年安装在 ARPANET 中。它被称为互联网协议版本4（IPv4）作为协议，仍在互联网使用，连同其目前的继承，互联网协议版本6（IPv6）。

2.TCP/IP分层模型

共定义了四层，和 OSI七层参考模型的分层有对应关系，相对于来说就是OSI的精简版。

RFC官方分为四层:

  • Application Layer---------应用层
  • Transport Layer-----------输入层
  • Internet Layer------------网络层
  • Link Layer(media-access)--网络接口层

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3.TCP/IP通讯过程

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二、TCP协议和UDP协议

TCP/IP协议簇的传输层协议主要有两个：TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）和UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。

1.无连接网络协议和面向连接网络协议

TCP 是一种面向连接的协议，在传输数据之前先测试联通性，如果通才会传输真实数据先测试后传输。在使用 TCP 时，数据会被分割成多个数据包，并通过网络进行传输，接收端会对接收到的数据包进行排序和重组，以确保数据的完整性和顺序性。TCP 还使用了确认应答机制来确保数据的可靠性，因此适用于对数据完整性要求较高的场景，如文件传输、电子邮件等。

UDP 则是一种无连接的协议，它不保证数据的可靠性和顺序性，也没有建立连接和断开连接的过程。UDP 直接将数据打包成数据包，然后发送到网络上，接收端收到数据包后即可直接处理，不需要等待确认或按顺序重组数据。UDP 适合于实时性要求较高的场景，比如音视频流传输、在线游戏等。

UDP特性

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

TCP特性

  • 工作在传输层
  • 面向连接协议
  • 全双工协议
  • 半关闭
  • 错误检查
  • 将数据打包成段，排序
  • 确认机制
  • 数据恢复，重传
  • 流量控制，滑动窗口

三、TCP协议

1.TCP数据段

TCP数据段是由TCP头部和上层数据组成，TCP头部包含了一些控制信息，用于管理连接的建立、维护和关闭等操作。常见的TCP头部字段包括源端口号、目标端口号、序列号、确认号、窗口大小等。

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  • 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

四、TCP的三次握手

1.为什么要三次握手

TCP三次握手是建立TCP连接时使用的一种流程，用于确保通信双方的发送和接收能力正常。该过程由三个步骤组成

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第一次握手：客户端向服务器发送一个带有SYN（同步序列编号）标志的数据包，表示客户端请求建立连接，并选择一个初始的序列号。

第二次握手：服务器接收到客户端发来的SYN数据包后，会返回一个带有SYN/ACK标志的数据包给客户端，表示确认客户端的请求，并自己也请求建立连接，同时确认客户端的初始序列号。

第三次握手：客户端收到服务器发来的SYN/ACK标志的数据包后，会向服务器发送一个带有ACK标志的数据包，表示确认服务器的请求。服务器收到这个ACK数据包后，确认连接建立完成。

经过三次握手，客户端和服务器就建立了可靠的连接，可以开始进行数据的传输和通信。这个过程可以确保双方的通信能力正常，同时也可以防止已失效的连接请求导致的问题。

2.TCP的四次挥手（连接中止）

TCP四次挥手是指在TCP连接中，当通信双方需要关闭连接时的一系列步骤。

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第一次挥手：当一方决定关闭连接时，发送一个FIN（Finish）标志给对方，表示自己已经发送完数据，准备关闭发送端。此时进入FIN_WAIT_1状态。

第二次挥手：另一方收到FIN后，会发送一个ACK（确认）给对方，表示已经收到关闭请求。同时，它自己也会发送一个FIN给对方，表示自己也准备关闭发送端。此时进入CLOSE_WAIT状态。

第三次挥手：收到另一方的FIN后，回复一个ACK给对方，表示收到关闭请求。此时进入LAST_ACK状态。

第四次挥手：最后，另一方收到ACK后，进入CLOSED状态，表示连接已经关闭。

通过这四个步骤，双方完成了连接的关闭，释放了资源，确保连接的安全关闭。

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