网络-TCP、UDP

一. TCP协议

 

TCP协议是面向连接、保证高可靠性(数据无丢失、数据无失序、数据无错误、数据无重复到达)传输层协议。

TCP通过检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输。

 

1.TCP头分析

先来分析一下TCP头的格式以及每一个字段的含义:

(1)端口号[16bit]

我们知道，网络实现的是不同主机的进程间通信。在一个操作系统中，有很多进程，当数据到来时要提交给哪个进程进行处理呢?这就需要用到端口号。在TCP头中，有源端口号(Source Port)和目标端口号(Destination Port)。源端口号标识了发送主机的进程,目标端口号标识接受方主机的进程。

(2)序号[32bit]

序号分为发送序号(Sequence Number)和确认序号(Acknowledgment Number)。

发送序号：用来标识从 TCP源端向 TCP目的端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节的顺序号。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则 TCP用顺序号对每个字节进行计数。序号是 32bit的无符号数，序号到达 2  32－ 1后又从 0开始。当建立一个新的连接时， SYN标志变 1，顺序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始顺序号 ISN（ Initial Sequence Number）。

确认序号：包含发送确认的一端所期望收到的下一个顺序号。因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节顺序号加 1。只有 ACK标志为 1时确认序号字段才有效。 TCP为应用层提供全双工服务，这意味数据能在两个方向上独立地进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据顺序号。

(3)偏移[4bit]

这里的偏移实际指的是TCP首部的长度，它用来表明TCP首部中32 bit字的数目，通过它可以知道一个TCP包它的用户数据是从哪里开始的。这个字段占4bit,如4bit的值是0101,则说明TCP首部长度是5 * 4 = 20字节。 所以TCP的首部长度最大为15 * 4 = 60字节。然而没有可选字段，正常长度为20字节。

(4)Reserved [6bit]

目前没有使用，它的值都为0

(5)标志[6bit]

在TCP首部中有6个标志比特。他们中的多个可同时被置为1 。

 

URG         紧急指针(urgent pointer)有效

ACK          确认序号有效

PSH          指示接收方应该尽快将这个报文段交给应用层而不用等待缓冲区装满

RST           一般表示断开一个连接

例如:一个TCP的客户端向一个没有监听的端口的服务器端发起连接,wirshark抓包如下

可以看到host:192.168.63.134向host:192.168.63.132发起连接请求，但是host：192.168.63.132并没有处于监听对应端口的服务器端,这时

host : 192.168.63.132发一个RST置位的TCP包断开连接。

SYN          同步序号用来发起一个连接

FIN            发送端完成发送任务(即断开连接)

(6)窗口大小(window)[16bit]

窗口的大小，表示源方法最多能接受的字节数。。

(7)校验和[16bit]

校验和覆盖了整个的TCP报文段:TCP首部和TCP数据。这是一个强制性的字段，一定是由发端计算和存储，并由收端进行验证。

(8)紧急指针[16bit]

只有当URG标志置为1时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。

(9)TCP选项

是可选的,在后面抓包的时候，我们在看看它

 

2.重点详解

 

(1)三次握手建立连接

                          

                                               

a.请求端(通常称为客户)发送一个SYN段指明客户打算连接的服务器的端口，以及初始序号(ISN,在这个例子中为1415531521)。这个SYN段为报文段1。

b.服务器发回包含服务器的初始序号的SYN报文段(报文段2)作为应答。同时，将确认序号设置为客户的ISN加1以对客户的SYN报文段进行确认。一个SYN将占用一个序号

c.客户必须将确认序号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认(报文段3)

 

这三个报文段完成连接的建立。这个过程也称为三次握手(three-way handshake)

用wirshark抓包如下:

可以看到三次握手确定了双方间包的序号、最大接受数据的大小(window)以及MSS(Maximum Segment Size)。

 

MSS = MTU - IP头 - TCP头,MTU表示最大传输单元，我们在IP头分析的时候会讲到,它一般为1500个字节。IP头和TCP 头部带可选选项的时候都是20个字节。这样的话MSS=1500 - 20 -20 = 1460。

 

MSS限制了TCP包携带数据的大小,它的意思就是当应用层向传输层提交数据通过TCP协议进行传输时，如果应用层的数据>MSS就必须分段，分成多个段，逐个的发过去。

 

例如:应用层一次性向传输层提交4096个字节数据，这个时候通过wirshark抓包效果如下:

前三次是三次握手的过程，后面三次是传送数据的过程，由于数据大小是4096个字节，所以用了三次进行传递(1448 + 1448 + 1200)。

细心的人会问为什么每次传送的最大数据大小不是1460个字节呢?因为这里的TCP携带可选项，TCP头长度 = 20 + 12（可选选项大小） = 32字节。 这样能传输的最大数据为:1500 - 20 - 32 = 1448个字节

(2)四次挥手断开连接

a.现在的网络通信都是基于socket实现的，当客户端将自己的socket进行关闭时，内核协议栈会向服务器自动发送一个FIN置位的包，请求断开连接。我们称首先发起断开请求的一方称为主动断开方。

b.服务器端收到请客端的FIN断开请求后，内核协议栈会立即发送一个ACK包作为应答，表示已经收到客户端的请求

c.服务器运行一段时间后，关闭了自己的socket。这个时候内核协议栈会向客户端发送一个FIN置位的包，请求断开连接

d.客户端收到服务端发来的FIN断开请求后，会发送一个ACK做出应答，表示已经收到服务端的请求

用wirshar抓包分析如下:

(3)TCP可靠性的保证

TCP采用一种名为“带重传功能的肯定确认（positive acknowledge with retransmission）”的技术作为提供可靠数据传输服务的基础。这项技术要求接收方收到数据之后向源站回送确认信息ACK。发送方对发出的每个分组都保存一份记录，在发送下一个分组之前等待确认信息。发送方还在送出分组的同时启动一个定时器，并在定时器的定时期满而确认信息还没有到达的情况下，重发刚才发出的分组。图3-5表示带重传功能的肯定确认协议传输数据的情况，图3-6表示分组丢失引起超时和重传。为了避免由于网络延迟引起迟到的确认和重复的确认，协议规定在确认信息中稍带一个分组的序号，使接收方能正确将分组与确认关联起来。

从图 3-5可以看出，虽然网络具有同时进行双向通信的能力，但由于在接到前一个分组的确认信息之前必须推迟下一个分组的发送，简单的肯定确认协议浪费了大量宝贵的网络带宽。为此， TCP使用滑动窗口的机制来提高网络吞吐量，同时解决端到端的流量控制。

(4)滑动窗口技术

滑动窗口技术是简单的带重传的肯定确认机制的一个更复杂的变形，它允许发送方在等待一个确认信息之前可以发送多个分组。如图 3-7所示，发送方要发送一个分组序列，滑动窗口协议在分组序列中放置一个固定长度的窗口，然后将窗口内的所有分组都发送出去；当发送方收到对窗口内第一个分组的确认信息时，它可以向后滑动并发送下一个分组；随着确认的不断到达，窗口也在不断的向后滑动。

二、UDP协议

UDP协议也是传输层协议，它是无连接，不保证可靠的传输层协议。它的协议头比较简单，如下:

这里的端口号就不解释了,和TCP的端口号是一样的含义。

Length占用2个字节，标识UDP头的长度。

Checksum : 校验和,包含UDP头和数据部分。

UDP协议的性质：

（1）UDP是一个非连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
（2） 由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。
（3）UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。
（4） 吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。
（5）UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的链接状态表（这里面有许多参数）。
（6）UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。
我们经常使用“ping”命令来测试两台主机之间TCP/IP通信是否正常，其实“ping”命令的原理就是向对方主机发送UDP数据包，然后对方主机确认收到数据包，如果数据包是否到达的消息及时反馈回来，那么网络就是通的。

三、面试常见问题

1.TCP与UDP的区别

· TCP协议是有连接的，有连接的意思是开始传输实际数据之前TCP的客户端和服务器端必须通过三次握手建立连接，会话结束之后也要结束连接。而UDP是无连接的

· TCP协议保证数据按序发送，按序到达，提供超时重传来保证可靠性，

但是UDP不保证按序到达，甚至不保证到达，只是努力交付，即便是按序发送的序列，也不保证按序送到。

· TCP协议所需资源多，TCP首部需20个字节（不算可选项），UDP首部字段只需8个字节。

· TCP有流量控制和拥塞控制。UDP没有，网络拥堵不会影响发送端的发送速率（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）

· TCP是一对一的连接，而UDP则可以支持一对一，多对多，一对多的通信。

· TCP面向的是字节流的服务，把数据看成一连串无结构的字节流，UDP面向的是报文的服务。

2.三次握手建立连接时，发送方再次发送确认的必要性

答：主 要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传到了B,因而产生错误。假定出现一种异常情况，即A发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某些网络结 点长时间滞留了，一直延迟到连接释放以后的某个时间才到达B，本来这是一个早已失效的报文段。但B收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是A又发出一次 新的连接请求，于是就向A发出确认报文段，同意建立连接。假定不采用三次握手，那么只要B发出确认，新的连接就建立了，这样一直等待A发来数据，B的许多 资源就这样白白浪费了。

3.为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？
答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

4.四次挥手释放连接时，等待2MSL的意义？

答：第 一，为了保证A发送的最有一个ACK报文段能够到达B。这个ACK报文段有可能丢失，因而使处在LAST-ACK状态的B收不到对已发送的FIN和ACK 报文段的确认。B会超时重传这个FIN和ACK报文段，而A就能在2MSL时间内收到这个重传的ACK+FIN报文段。接着A重传一次确认。

第二，就是防止上面提到的已失效的连接请求报文段出现在本连接中，A在发送完最有一个ACK报文段后，再经过2MSL，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。