补阙拾遗(二)-网络中的传输层（TCP/UDP）

xump
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网络中的传输层

在上篇文章中我们谈到了网络的分层模型（我的前端札记—初识网络分层模型 - 掘金 (juejin.cn)），而其中传输层可以说是模型中起承上启下的作用，所以我认为在前端的学习中了解传输中的相关协议还是有必要的。 传输层负责在两个网络节点的应用程序之间提供端到端的通信服务，即使是在不同网络上的进程也能进行有效的通信。并且在传输层中使用的是端口号来标识特定的应用程序或服务，从而允许不同应用程序在同一个主机上同时通信。本文主要了解TCP协议（因为在前端中较多用到的应用层协议大多基于TCP协议，如：HTTP/HTTPS、WebSocket等）。

传输层的两种协议

TCP

对于TCP我们要知道的是TCP协议是一种面向连接的、可靠的传输层通信协议，用于在不可靠的互联网中提供可靠的数据传输服务。

而TCP的三次握手与四次挥手并是为了保障我们连接的可靠，大致过程可参考下图， 其中符号分别代表：

  1. seq： 表示序列号
  2. ack： 确认号ack = 对方seq +1
  3. ACK： 确认序列号是否有效
  4. SYN： 发起新连接的标识
  5. FIN： 连接完成请求标识

TCP.png

为了更好的理解TCP的过程，我们可以通过Wireshark这个抓包工具对TCP连接建立和关闭的过程有更直观的了解，如图是我从中截取的某个TCP连接的建立过程：

TCP三次握手.png

从上图中我们可以看到，我从本机的65532端口开始向对方服务器的443端口发送了一条TCP连接请求,三次握手开始：

  1. 客户端发送一个带有SYN标志的TCP段至服务器，并且设Seq=0。
  2. 服务器接收到客户端的连接请求后，同样回复一个带有SYN、ACK的建立连接请求确认报文，并将请求的ack设为客户端Seq+1（确认已收到客户端的SYN请求），请求Seq设为0。
  3. 客户端同样接收到了服务端的请求后，向服务器最后发送一条ACK确认报文，并将ack设为服务器Seq+1（表示确认收到服务端SYN请求），至此，TCP连接建立，两端间开始进行通信。

然后就是TCP的连接断开过程：

TCP四次挥手.png

本次连接的断开是由客户端发起，四次挥手开始：

  1. 客户端（源端口65532）发起连接关闭，发送一个带有FIN标志、Seq=3637的TCP段至服务器（目的端口443），同时客户端进入FIN_WAIT_1状态。。
  2. 服务器接收到客户端的FIN请求后，回复一个ACK确认报文，确认序号ack=3638，表示已收到客户端的FIN报文，此时服务器进入CLOSE_WAIT状态。
  3. 当服务器完成其发送任务后，也会向客户端发送一个带有FIN标志的TCP段，请求关闭服务器到客户端这个方向的连接，同时服务器进入LAST_ACK状态。
  4. 客户端接收到服务器的FIN请求后，回复一个ACK确认报文，此时客户端进入TIME_WAIT状态，等待2MSL时间以确保服务器收到其ACK确认。一旦确认服务器收到ACK，客户端将进入CLOSED状态。服务器在收到客户端的ACK后，也进入CLOSED状态，完成整个连接的关闭过程。

经过上述两端之间的相互拉扯才得以确保TCP连接的可靠性，当然上面描述的情况只是TCP连接建立的常见情况，期间可能出现异常TCP可通过序列号、确认应答、超时重传、拥塞控制等机制来确保数据的可靠传输。如果数据包在传输过程中丢失，TCP会自动重传丢失的数据包，直到数据被成功接收。

同时TCP可以进行流控制，TCP采用滑动窗口机制来进行流量控制，确保发送方的发送速率不会超过接收方的接收能力，避免接收缓冲区溢出。

UDP

TCP的设计目标是为了在网络条件不确定的情况下，为应用程序提供一个稳定、可靠的数据传输环境，然而，TCP的可靠性和稳定性是以增加网络延迟和计算资源消耗为代价的，而且并不是所有的请求都需要可靠性等特点，所以我们会有UPD协议。UDP适合于那些对延迟敏感、数据量不大、对数据丢失有一定容忍度的应用场景。

UPD主要有如下特点：

  1. 无连接：与TCP不同，UDP在数据传输之前无需建立连接，发送数据结束时也不需要终止连接。这意味着发送端可以随时向接收端发送数据，而无需事先通知接收端。
  2. 不可靠传输：UDP不保证数据的可靠传输，数据报可能在传输过程中丢失、重复或乱序到达。
  3. 低开销：由于UDP不提供复杂的错误校验、排序和重传机制，因此其头部开销比TCP小，数据传输速度更快，适用于实时性要求高的应用场景，如在线游戏、语音和视频通话等。
  4. 广播和多播：UDP支持广播和多播，可以将数据同时发送给多个接收者，主要应用在多媒体流媒体和网络管理中。

TCP与UPD的应用场景

TCP

  1. 文件传输：如FTP（File Transfer Protocol），需要确保文件传输的完整性和准确性。
  2. 网页浏览：如HTTP（Hypertext Transfer Protocol）和HTTPS（HTTP Secure），确保网页内容的正确加载。
  3. 远程登录：如SSH（Secure Shell），需要可靠的数据传输来保障命令执行和数据的安全。
  4. 数据库通信：如MySQL、Oracle等数据库服务，需要数据传输的准确性和一致性。

UDP

  1. 实时通信：如视频会议、在线游戏，实时性要求高，可以容忍少量数据包丢失。
  2. 多媒体流：如视频直播、音频流，实时播放，不希望因为等待重传数据而导致延迟。
  3. 域名解析（DNS）：需要快速查询和响应，通常单个数据包即可完成
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