TCP协议

1. 概述

   TCP协议和UDP协议处于同一层：传输层，但是两者之间有很大的区别，TCP协议具有以下特点：

   • TCP提供可靠的数据传输服务，TCP是面向连接的，即数据在通信之间要先建立连接，结束通信时要释放连接，这也是后面所说的3次握手，4次挥手；
   • TCP是点对点的连接方式，即一条TCP连接两端只能是两个端点；
   • TCP提供可靠的，无差错的，不丢失，不重复，按顺序的服务；
   • TCP提供全双工通信，允许通信双方任何时候都能发送数据，TCP在连接的两端都设置有发送缓存和接收缓存；
   • TCP是面向字节流的，TCP传输的数据是一个一个字节的按序传输的，数据块与数据块之间没有边界信息，对于TCP来说，所有数据都是一样的，TCP不能区分数据的意义。

   

2. TCP报文结构：

   TCP 报文段的报头有前 20 字节的固定部分，后面 4n 字节是根据需要而添加的字段，下图是TCP完整的报文结构：

   

   20 字节的固定部分，各字段功能说明：

   • 源端口和目的端口: 各占 2 个字节，分别写入源端口号和目的端口号。这和 UDP 报头有类似之处，因为都是运输层协议。
   • 序号: 占 4 字节序，序号范围[0，2^32-1]，序号增加到 2^32-1 后，下个序号又回到 0。 TCP 是面向字节流的，通过 TCP 传送的字节流中的每个字节都按顺序编号，而报头中的序号字段值则指的是本报文段数据的第一个字节的序号。
   • 确认序号: 占 4 字节，期望收到对方下个报文段的第一个数据字节的序号。
   • 数据偏移: 占 4 位，指 TCP 报文段的报头长度，包括固定的 20 字节和选项字段。
   • 保留: 占 6 位，保留为今后使用，目前为 0。
   • 控制位: 共有 6 个控制位，说明本报文的性质，意义如下：

     URG 紧急:当 URG=1 时，它告诉系统此报文中有紧急数据，应优先传送(比如紧急关闭)，这要与紧急指针字段配合使用。

     ACK 确认:仅当 ACK=1 时确认号字段才有效。建立 TCP 连接后，所有报文段都必须把 ACK 字段置为 1。

     PSH 推送:若 TCP 连接的一端希望另一端立即响应，PSH 字段便可以“催促”对方，不再等到缓存区填满才发送。

     RET 复位:若 TCP 连接出现严重差错，RST 置为 1，断开 TCP 连接，再重新建立连接。

     SYN 同步:用于建立和释放连接，稍后会详细介绍。

     FIN 终止:用于释放连接，当 FIN=1，表明发送方已经发送完毕，要求释放 TCP 连接。

   • 窗口: 占 2 个字节。窗口值是指发送者自己的接收窗口大小，因为接收缓存的空间有限。
   • 检验和: 2 个字节。和 UDP 报文一样，有一个检验和，用于检查报文是否在传输过程中出差错。
   • 紧急指针: 2 字节。当 URG=1 时才有效，指出本报文段紧急数据的字节数。
   • 选项: 长度可变，最长可达 40 字节。具体的选项字段，需要时再做介绍。
3. TCP连接和释放：

   3.1. 三次握手

   

   TCP三次握手过程：

   • 客户端发出请求连接报文段，其中报头控制位 SYN=1，初始序号 seq=x。客户端进入 SYN-SENT(同步已发送)状态。
   • 服务端收到请求报文段后，向客户端发送确认报文段。确认报文段的首部中 SYN=1，ACK=1，确认号是 ack=x+1，同时为自己选择一个初始序号 seq=y。服务端进入 SYN-RCVD(同步收到)状态。
   • 客户端收到服务端的确认报文段后，还要给服务端发送一个确认报文段。这个报文段中 ACK=1，确认号 ack=y+1，而自己的序号 seq=x+1。这个报文段已经可以携带数据，如果不携带数据则不消耗序号，则下一个报文段序号仍为 seq=x+1。
   • 至此 TCP 连接已经建立，客户端进入 ESTABLISHED(已建立连接)状态，当服务端收到确认后，也进入 ESTABLISHED 状态，它们之间便可以正式传输数据了。

   3.2. 四次挥手

   

   TCP四次挥手过程：

   • 此时 TCP 连接两端都还处于 ESTABLISHED 状态，客户端停止发送数据，并发出一个 FIN 报文段。首部 FIN=1，序号 seq=u（u 等于客户端传输数据最后一字节的序号加 1）。客户端进入 FIN-WAIT-1(终止等待 1)状态。
   • 服务端回复确认报文段，确认号 ack=u+1，序号 seq=v（v 等于服务端传输数据最后一字节的序号加 1），服务端进入 CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。现在 TCP 连接处于半开半闭状态，服务端如果继续发送数据，客户端依然接收。
   • 客户端收到确认报文，进入 FIN-WAIT-2 状态，服务端处理完数据后，发出 FIN 报文段，FIN=1，确认号 ack=u+1，然后进入 LAST-ACK(最后确认)状态。
   • 客户端回复确认确认报文段，ACK=1，确认号 ack=w+1（w 为半开半闭状态时，收到的最后一个字节数据的编号） ，序号 seq=u+1，然后进入 TIME-WAIT(时间等待)状态。

   注意此时连接还没有释放，需要时间等待状态结束后(4 分钟) 连接两端才会 CLOSED。设置时间等待是因为，有可能最后一个确认报文丢失而需要重传，下面具体阐述TIME-WAIT(时间等待)状态的原因：

   TIME_WAIT状态维持的时间是最长分节生命期的2倍，2MSL(MSL=30s~120s）

   • 原因一：可靠的实现TCP全双工连接的终止

     如果客户端在接收到服务器端的FIN后，发送的ACK分组在通路中丢失，由于超时重传机制，服务器端没有接受到来自客户端的应答，所以重新发送FIN，这时总共经历的时间最大可能为2MSL，当第二个FIN到达时，保证在客户端维护必要的状态信息，确保能够发送最终的ACK，保证两边都能够关闭。

   • 原因二：允许老的重复分节在网络中消逝

     如果关闭一个链接后，马上建立新的链接，这个链接的IP地址和端口号和刚关闭的链接相同，这时候如果上一个链接中重复的分节没有消逝，这时这个重复的分节就有可能被新的链接接收，所以为了防止旧链接中的分节能够消逝，不影响新链接，将TIME_WAIT设置为2倍的MSL。

   3.3. TIME-WAIT状态的带来的影响和解决方法

   由于TIME-WAIT状态的存在，使得socket可以进入和留存相当长一段时间，如果你的系统中有很多 socket 处于TIME-WAIT状态，那么当你需要创建新的 socket 连接的时候可能会受到影响，这也会影响到你的程序的扩展性。因为在一个TCP连接中，一个Socket如果关闭的话，它将保持TIME-WAIT状态大约 4分钟 。如果很多连接快速的打开和关闭的话，系统中处于TIME-WAIT状态的socket将会积累很多，你可以使用netstat命令查看处于TIME-WAIT状态的socket。由于本地端口数量的限制，同一时间只有有限数量的socket连接可以建立，如果太多的socket处于TIME_WAIT状态，你会发现，由于用于新建连接的本地端口太缺乏，将会很难再建立新的对外连接。在Linux中，可以通过设置SO_REUSEADDR允许连接重用，TIME-WAIT的存在是有它的理由的，通过缩短2MSL的时间或者使用SO-REUSEADDR允许连接重用并不总是好主意。如果你有能力去设计你的协议避免TIME-WAIT产生的问题的话，你就可以避免这里所有的问题。

4. TCP可靠传输的实现：
   • (1) TCP 报文段的长度可变，根据收发双方的缓存状态、网络状态而调整。
   • (2) 当 TCP 收到发自 TCP 连接另一端的数据，它将发送一个确认。
   • (3) 当 TCP 发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段，如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。这就是稍后介绍的超时重传。
   • (4) TCP 将保持它首部和数据的检验和。如果通过检验和发现报文段有差错，这个报文段将被丢弃，等待超时重传。
   • (5) TCP 将数据按字节排序，报文段中有序号，以确保顺序的正确性。
   • (6) TCP 还能提供流量控制。TCP 连接的每一方都有收发缓存。TCP 的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

   超时重传机制很费时间，每发送一个数据报都要等待确认。在实际应用中的确不是这样的，真实情况是，采用了流水线传输：发送方可以连续发送多个报文段(连续发送的数据长度叫做窗口)，而不必每发完一段就停下来等待确认。实际应用中，接收方也不必对收到的每个报文都做回复，而是采用累积确认方式：接收者收到多个连续的报文段后，只回复确认最后一个报文段，表示在这之前的数据都已收到。这样，传输效率得到了很大的提升。

UDP协议

用户数据报协议，它只在 IP 数据报服务之上增加了很少一点功能，它的主要特点有：

(1) UDP 是无连接的，发送数据之前不需要建立连接(而 TCP 需要)，减少了开销和时延。

(2) UDP尽最大努力交付，不保证交付可靠性。

(3) UDP 是面向报文的，对于从网络层交付下来的 IP 数据报，只做很简单的封装(8 字节 UDP 报头)，首部开销小。

(4) UDP 没有拥塞控制，出现网络拥塞时发送方也不会降低发送速率。这种特性对某些实时应用是很重要的，比如 IP 电话，视频会议等，它们允许拥塞时丢失一些数据，因为如果不抛弃这些数据，极可能造成时延的累积。

(5) UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

UDP报文：

UDP 数据报可分为两部分：UDP 报头和数据部分。其中数据部分是应用层交付下来的数据。UDP 报头总共 8 字节，而这 8 字节又分为 4 个字段：

(1)源端口 2 字节 在对方需要回信时可用，不需要时可以全 0；

(2)目的端口 2 字节 必须，也是最重要的字段；

(3)长度 2 字节 长度值包括报头和数据部分；

(4)校验和 2 字节 用于检验 UDP 数据报在传输过程中是否有出错，有错就丢弃。

TCP与UDP的区别

面向报文的传输方式是应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发送一个报文。因此，应用程序必须选择合适大小的报文。若报文太长，则IP层需要分片，降低效率。若太短，会是IP太小。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。这也就是说，应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发送一个报文。

面向字节流的话，虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块(大小不等)，但TCP把应用程序看成是一连串的无结构的字节流。TCP有一个缓冲，当应用程序传送的数据块太长，TCP就可以把它划分短一些再传送。如果应用程序一次只发送一个字节，TCP也可以等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。

TCP和UDP的对比：