TCP与UDP

你所不知道的传输层
题记：23页的文档上，满满当当的写满了笔记，纸质的东西，始终害怕丢失，还是选择把它总结到博客上来。

PS.老规矩，列出可能遇到的20个问题，如果您是都能回答的高手，请您绕道，我是小菜，只做自己的学习笔记。



1. 传输层的主要功能是什么？
2. 传输层如何区分不同应用程序的数据流？
3. 传输层有哪些协议？
4. 什么是UDP协议？
5. 为什么有了UDP，还需要TCP？
6. 什么是TCP协议？
7. 怎么理解协议和程序？
8. TCP是否真的有链接？
9. 链接是如何建立的（逻辑上）？
10. 所谓的建立TCP链接开销很大，具体是指什么？
11. 三次握手的目的是什么？
12. TCP如何提供可靠性？
13. 什么是预期确认？什么是肯定确认与重新传输？哪些情况会重传？
14. TCP中，序列号和应答号有哪些作用？
15. TCP链接中，网络失败，是怎么判断的？
16. 为什么需要窗口技术？
17. 如何实现流量控制？
18. UDP的开销很小，具体是指什么？
19. UDP数据包、TCP数据包大小如何确认？
20. UDP适合哪些环境？TCP适合哪些环境？





一。传输层的主要功能是什么？

分割并重新组装上层提供的数据流，为数据流提供端到端的传输服务。



二。传输层如何区分不同应用程序的数据流？



因为，对应传输层而言，它只需要知道目标主机上的哪个服务程序来响应这个程序，而不需要知道这个服务程序是干什么的。因此，我们只需要能够抽象的表示出来这些应用程序和服务程序即可。我们使用端口号来抽象标识每个网络程序。



传输层的TCP和UDP可以接收来自多个应用程序的数据流，用端口号标识他们，然后把他们送给Internet层处理；

同时TCP和UDP接收来自Internet层的数据包，用端口号区分他们，然后交给不同的应用程序。




因此：在同一IP地址（同一个目标主机）上不同的端口号是两个不同的链接。IP地址和端口号用来唯一的确定网络上数据的目的地。



三。传输层有哪些协议？


传输层的两大协议：TCP（传输控制协议）UDP（用户数据包协议）
TCP是一个可靠的面向链接的协议，UDP是不可靠的或者说无连接的协议。
可以用打电话和发短信来说明这种关系：

UDP就好似发短信，只管发出去，至于对方是不是空号（网络不可到达）能不能收到（丢包）等并不关心。

TCP好像打电话，双方要通话，首先，要确定对方不是开机（网络可以到达），然后要确定是不是没有信号（），然后还需要对方接听（通信链接）。



四。什么是UDP协议？


UDP数据包结构如下图所示



源端口(16)


目标端口(16)

报文长度(16)


校验和(16)

数据（可变）

UDP为应用程序提供的是一种不可靠的、无连接的分组交付，因此，UDP报文可能会出现丢失、乱序、重复、延时等问题。
因为它不提供可靠性，它的开销很小。（开销很小具体指什么？下文揭秘）



五。为什么有了UDP，还需要TCP？

问题4中已经说到，UDP为应用程序提供的是一种无连接、不可靠的分组交付。当网络硬件失效或者负担太重时，数据包可能就会产生丢失、重复、延时、乱序的现象。这些都会导致我们的通信不正常。如果让应用程序来担负差错控制的工作，无疑将给程序员带来许多复杂的工作，于是，我们使用独立的通信协议来保证通信的可靠性是非常必要的。



六。什么是TCP协议？

传输控制协议TCP是一个面向链接的、可靠的通信协议。


1. 在开始传输前，需要进行三次握手建立链接
2. 可靠性：在传输过程中，通信双方的协议模块继续进行通信
3. 通信结束后，通信双方都会使用改进的三次握手来关闭链接


TCP数据包结构如下图



源端口(16)


目标端口(16)

序号(32)

应答号(32)

头长度(4)


保留(6)


编码位(6)


窗口(16)

校验和(16)


紧急(16)

可选项(如果有，0或32)

数据(可变)





**七。怎么理解协议和程序？**

如同我们自定义的应用层协议一样：协议只是给出了一组规范，规定我们应该怎么样（按什么规则）保存数据。

在计算机间传输的永远都是二进制字节码（对于传输层，可以理解为传输的始终是下层的IP数据包），是计算机中的程序通过对这些字节码进行逻辑分析、判断，来控制程序完成差错控制等功能。
至于解析这些字节码的程序，则可以有不同的实现，只要我们按照规则来解析，并作出相应的控制，我们大可以自己写个程序是实现相应功能。



知道了这些后，显然，我们也可以使用前面说的Jpcap，来自己实现一个基于Java的TCP或者UDP协议。可以参考Linux下的Tcp源码。

/net/ipv4/udp.c
/net/ipv4/datagram.c
/net/ipv4/tcp_input.c
/net/ipv4//tcp_output.c
/net/ipv4/tcp.c 



八。TCP是否真的有链接？

我们都知道，TCP通过完成三次握手来建立链接的，但是这种连接是面向虚电路的，是物理上不存在的，只是双方的TCP程序，逻辑上的认为建立了这样的链接。



九。链接是如何建立的（逻辑上）？

假设：当我们在主机A上启动一个程序，通过TCP去链接主机B上的9091端口。



整个过程是怎么样的呢？逻辑上我们可以这么理解建立链接的过程：

 

1.SYN:seq=X;

1.1 A的TCP程序，为这个链接分配一个端口（设为9090）。
1.2 同时逻辑上的将TCP连接的状态设置为：正在连接。（通过在链接状态表中添加一条记录，记录中状态为：正在连接）

猜想：

TCP程序中， 应该有张表来保持链接的状态，其中每个状态应该有：

本机地址（IP加port）、对方地址、链接状态


1.3 同时，随机生成一个初始序列号X，生成一个TCP包，将初始化序列号X设置为TCP中的序列号，发送给主机B。





2.SYN:seq=Y ACK:ack=X+1;

2.1 B上TCP程序收到该数据包，查询9091端口状态，如果可以链接。
2.2 同样的，在逻辑上的将TCP连接的状态设置为：正在连接
2.3 同时，随机生成一个初始化序列号Y，根据接收的序列号X，生成应答号X+1，生成一个TCP包，将序列号和应答号分别设置到TCP包头中，将TCP数据包发给主机A。



3.SYN:seq=X+1 ACK:ack=Y+1.

3.1  A上的TCP程序接收到数据包，查询9090端口状态。
3.2 根据收到的SYN:seq=Y;ACK:ack=X+1; 封装一个TCP包 SYN:seq=x+1;ACK:ack=Y+1;发送给主机B。同时，TCP程序将链接状态表中该条记录状态设置为已连接。
3.3 主机B收到数据包，TCP程序将链接状态表中该条记录状态设置为已连接。



至此，一个TCP链接建立（三次握手）完成。
我们可以看到：
第一：传送的都是IP数据包，其实只是将收到的数据包交给TCP程序处理。
第二：链接状态，只是TCP程序中的一个逻辑状态。



十：所谓的建立TCP链接开销很大，具体是指什么？

从九中，很容易看出。要简历TCP链接，必须进行三次IP数据包的成功传输。



十一：三次握手的目的是什么？

TCP是面向链接的，在面向链接的环境中，开始传输数据之前，在两个中端之间必须先建立一个链接。建立链接的过程可以确保通信双方在发送应用程序数据包之前，都已经准备好了传送和接收数据。并且使通信双方统一了初始化序列号。



十二：TCP如何提供可靠性？

在传输过程中，通信双方的协议模块继续进行通信，从而确保了传输的可靠性。
针对乱序：在通过三次握手进行链接时，序列号被初始化。在传输过程中，TCP继续使用这个序列号来标记发送的每一个数据段，没传送一个数据段，序列号加一。接收方依据序列号重装收到的数据段。
针对丢包：在传输过程中，接收方收到一个数据段后，会用ACK应答码向发送端回复一个IP包进行应答，确认号ACK用来告诉发送端哪些数据包已经成功接收，发送方对未被应答的报文段提供重传。
针对重复：接收端收到数据段后，查看序列号，如果已经成功接收改数据包，则丢弃后面这个数据段。
针对延时：延时造成的第一个问题，就是数据包达到接收端时乱序。
当延时严重时，接收端一直未收到数据段，则不会回复ACK，发送端认为丢包，重发。



十三：什么是预期确认？什么是肯定确认与重新传输？哪些情况会重传？

1.确认号ACK会告诉发送端哪些数据段已经成功接收，并且确认号会向发送端指出接收端希望收到的下一个序列号。即，确实号ACK为上个数据序列号+1，这种机制称为预期确认。


2.为了提高效率，我们在发送端，将数据段保存在缓冲区中，直道发送端收到来自接收端的确认号。这种机制被称为“肯定确认与重新传输”。


3.当发送端在给定时间间隔内收不到那个数据段的应答时，发送端就会重传那个数据段。
情况1：网络延时/环路，数据段丢失
情况2：网络延时，数据段推迟到达
情况3：数据段成功到达，应答因为1.2不能达到。







十四： TCP中，序列号和应答号有哪些作用？

从以上10,11,12中，很明显的可以看到

   1. 
         1. 
               1. 依靠序列号重组数据段
               2. 依靠数据包消除网络中的重复包
               3. 依靠序列号和应答号进行差错重传，提高了TCP的可靠性

十六：为什么需要窗口技术？

前面我们已经说了，TCP的可靠性，是通过预期确认来实现的。即发送方发送一个数据段后，需要得到对方的确认后，才会发送下一个数据段。
因此，假设一个数据段大小为64KB（IP包最大值），一次发送和确认需要的时间为500MS，则，1S内，只能传送128KB的数据，如果带宽为1M，显然很浪费带宽。为了充分利用带宽，我们使用窗口技术。滑动窗口允许发送方在收到接收方的确认之前发送多个数据段。（窗口大小决定了在收到确认前可以发送的数据段数量）




十七：如何实现流量控制？

窗口数决定了当前传输的最大流量。当我们在传输过程中，通信双方可以根据网络条件动态协商窗口大小，调整窗口大小时，即可实现流量控制。（在TCP的每个确认中，除了ACK外，还包括一个窗口通知）



十八：UDP的开销很小，具体是指什么？

1.因为UDP是无连接的。在传输数据之前，不需要进行复杂的三次握手来建立连接。
2.在传输数据时，没有协议间通信流量（确认信号），也不需要浪费不必要的处理时间（接收确认信号再发一下）。
3；传输结束后，也不用再用改进的三次握手来端口连接。



十九：UDP数据包、TCP数据包大小如何确认？

   1. 
         1.

            无论TCP还是UDP数据包，都需要交给Internet层封装为IP包，而一个IP包，包头中的长度位为16位，所以IP包最大为2的16方，即65535（64KB还需要减去各种包头长度）。
         2.

            TCP因为面向流，且可以凭借序列号对大文件进行分段和重组，因此，TCP可以用来传输较大的文件。而UDP，如果要传输大于64KB的数据，则需要自己在应用层进行差错控制。
         3.

            为了提高传输效率和减少网络通信量（协议间的通信），TCP也会一次传输足够多的数据。
         4.

            因为MTU的存在，TCP包和UDP包不是越大越好。（在路由中分包，在接收端重组，加大路由与接收端负担，增大丢包概率。分组丢失，整个数据包重传。）

二十：UDP适用哪些环境？TCP适用哪些环境？

适合UDP的环境：
1.在高效可靠的网络环境中（不需要考虑网络不好导致的丢包、乱序、延时、重复等问题），因为UDP是无连接的服务，不用消耗不必要的网络资源（TCP中的协议间通信）和处理时间（预期确认需要的时间），从而效率要高的多。
2.在轻权通信中，当需要传输的数据量很小（可以装在一个IP数据包内）时。如果我们使用TCP协议，那么，先建立连接，一共需要发送3个IP数据包，然后数据传输，1个IP数据包，产生一个确认信号的IP包，然后关闭连接，需要传输5个IP数据包。使用TCP协议IP包的利用率为1/10。而使用UDP，只需要发送一个IP数据包。哪怕丢包（服务不成功），也可重新申请服务（重传）。
注：而且无论UDP还是TCP，传输的都是IP数据包。当网络环境不好导致丢包时，无论TCP还是UDP都会丢包，这是没有区别的。（如果考虑发送丢包，那么TCP效率更低），只是使用TCP，当连接建立成功后，TCP程序会进行可靠性控制。

UDP很适合这种客户机向服务器传送简单服务请求的环境。此类应用层协议包括TFTP , SNMP , DNS ,DHCP等。
3.在对实时性要求很强的通信中：在诸如实时视频直播等对实时性要求很高的环境中，从而允许一定量的丢包的情况下（直播比赛，前面丢失的包，重传出来已经意义不大了），UDP更适合。（可以根据具体需要通过应用层协议提供可靠性，不用像TCP那么严格。）



适合TCP协议的环境：

当网络硬件失效或者负担太重时，数据包可能就会产生丢失、重复、延时、乱序的现象。这些都会导致我们的通信不正常的时候。如果让应用程序来担负差错控制的工作，无疑将给程序员带来许多复杂的工作，于是，我们使用独立的通信协议来保证通信的可靠性是非常必要的。







PS.写博客真累。。

特别是根据一堆读书笔记写博客。。

特别是写4-5000字的总结博客。。

累的感觉瘫痪了两次。。唉。。伤不起啊。。