网络协议 | TCP和UDP可靠性传输

前文：
网络协议
一、协议

1、TCP
2、UDP
3、TCP/IP
4、HTTP
5、HTTPS

1、HTTP协议:基于TCP连接的，主要解决如何包装数据，对应于应用层;
2、TCP/UDP协议:主要解决数据如何在网络中传输，对应于传输层;
3、IP协议:对应于网络层;

· 在传输数据时，可以只使用传输层（TCP/IP），但是那样的话，由于没有应用层，便无法识别数据内容，如果想要使传输的数据有意义，则必须使用应用层协议，应用层协议很多，有HTTP、FTP、TELNET等等，也可以自己定义应用层协议。
· web使用HTTP作传输层协议，以封装HTTP文本信息，然后使用TCP/IP做传输层协议将它发送到网络上。
· TCP/IP:传输层协议，主要解决数据如何在网络中传输。

1.udp与tcp的区别

TCP（TransmissionControl Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

UDP是User Datagram Protocol，一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。可靠性由上层应用实现，所以要实现udp可靠性传输，必须通过应用层来实现和控制。

TCP和UDP.png

2.TCP如何实现可靠性传输？

确认机制、重传机制、滑动窗口。

2.1 可靠性

1．应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。这和UDP完全不同，应用程序产生的数据长度将保持不变。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段（segment）。

2．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。当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。TCP有延迟确认的功能，在此功能没有打开，则是立即确认。功能打开，则由定时器触发确认时间点。

3．TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发端超时并重发）。

4．既然TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。

5．既然IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。[2]

6．TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。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。

三次握手.png

2.2 重传策略

TCP协议用于控制数据段是否需要重传的依据是设立重发定时器。在发送一个数据段的同时启动一个重传，如果在重传超时前收到确认(Acknowlegement)就关闭该重传，如果重传超时前没有收到确认，则重传该数据段。在选择重发时间的过程中，TCP必须具有自适应性。它需要根据互联网当时的通信情况，给出合适的重发时间。

这种重传策略的关键是对定时器初值的设定。采用较多的算法是Jacobson于1988年提出的一种不断调整超时时间间隔的动态算法。其工作原理是：对每条连接TCP都保持一个变量RTT（Round Trip Time），用于存放当前到目的端往返所需要时间最接近的估计值。当发送一个数据段时，同时启动连接的定时器，如果在定时器超时前确认到达，则记录所需要的时间（M），并修正[2] RTT的值，如果定时器超时前没有收到确认，则将RTT的值增加1倍。通过测量一系列的RTT（往返时间）值，TCP协议可以估算数据包重发前需要等待的时间。在估计该连接所需的当前延迟时通常利用一些统计学的原理和算法（如Karn算法），从而得到TCP重发之前需要等待的时间值。

2.3 窗口确认

TCP的一项功能就是确保每个数据段都能到达目的地。位于目的主机的TCP服务对接受到的数据进行确认，并向源应用程序发送确认信息。使用数据报头序列号以及确认号来确认已收到包含在数据段的相关的数据字节。

TCP在发回源设备的数据段中使用确认号，指示接收设备期待接收的下一字节。这个过程称为期待确认。

源主机在收到确认消息之前可以传输的数据的大小称为窗口大小。用于管理丢失数据和流量控制。

3.udp如何实现可靠性传输？

UDP它不属于连接型协议，因而具有资源消耗小，处理速度快的优点，所以通常音频、视频和普通数据在传送时使用UDP较多，因为它们即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。

传输层无法保证数据的可靠传输，只能通过应用层来实现了。实现的方式可以参照tcp可靠性传输的方式，只是实现不在传输层，实现转移到了应用层。实现确认机制、重传机制、窗口确认机制。
如果你不利用Linux协议栈以及上层socket机制，自己通过抓包和发包的方式去实现可靠性传输，那么必须实现如下功能：

发送：包的分片、包确认、包的重发

接收：包的调序、包的序号确认

目前有如下开源程序利用udp实现了可靠的数据传输。分别为RUDP、RTP、UDT。

3.1 RUDP

RUDP 提供一组数据服务质量增强机制，如拥塞控制的改进、重发机制及淡化服务器算法等，从而在包丢失和网络拥塞的情况下， RTP 客户机（实时位置）面前呈现的就是一个高质量的 RTP 流。在不干扰协议的实时特性的同时，可靠 UDP 的拥塞控制机制允许 TCP 方式下的流控制行为。

3.2 RTP

实时传输协议（RTP）为数据提供了具有实时特征的端对端传送服务，如在组播或单播网络服务下的交互式视频音频或模拟数据。应用程序通常在 UDP 上运行 RTP 以便使用其多路结点和校验服务；这两种协议都提供了传输层协议的功能。但是 RTP 可以与其它适合的底层网络或传输协议一起使用。如果底层网络提供组播方式，那么 RTP 可以使用该组播表传输数据到多个目的地。

RTP 本身并没有提供按时发送机制或其它服务质量（QoS）保证，它依赖于底层服务去实现这一过程。 RTP 并不保证传送或防止无序传送，也不确定底层网络的可靠性。 RTP 实行有序传送， RTP 中的序列号允许接收方重组发送方的包序列，同时序列号也能用于决定适当的包位置，例如：在视频解码中，就不需要顺序解码。

3.3 UDT

基于UDP的数据传输协议（UDP-basedData Transfer Protocol，简称UDT）是一种互联网数据传输协议。UDT的主要目的是支持高速广域网上的海量数据传输，而互联网上的标准数据传输协议TCP在高带宽长距离网络上性能很差。顾名思义，UDT建于UDP之上，并引入新的拥塞控制和数据可靠性控制机制。UDT是面向连接的双向的应用层协议。它同时支持可靠的数据流传输和部分可靠的数据报传输。由于UDT完全在UDP上实现，它也可以应用在除了高速数据传输之外的其它应用领域，例如点到点技术（P2P），防火墙穿透，多媒体数据传输等等。

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