网络 传输层 TCP UDP 协议

2020-04-13  本文已影响0人  Android_冯星

1. TCP与UDP区别

2. 为什么UDP有时比TCP更有优势?

UDP以其简单、传输快的优势，在越来越多场景下取代了TCP,如实时游戏。

（1）网速的提升给UDP的稳定性提供可靠网络保障，丢包率很低，如果使用应用层重传，能够确保传输的可靠性。

（2）TCP为了实现网络通信的可靠性，使用了复杂的拥塞控制算法，建立了繁琐的握手过程，由于TCP内置的系统协议栈中，极难对其进行改进。

采用TCP，一旦发生丢包，TCP会将后续的包缓存起来，等前面的包重传并接收到后再继续发送，延时会越来越大，基于UDP对实时性要求较为严格的情况下，采用自定义重传机制，能够把丢包产生的延迟降到最低，尽量减少网络问题对游戏性造成影响。

3. 为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢？

一句话，主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。

如果使用的是两次握手建立连接，假设有这样一种场景，客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，然后关闭连接。此时此前滞留的那一次请求连接，网络通畅了到达了服务器，这个报文本该是失效的，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。

如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接。

4. 为什么客户端最后还要等待2MSL？

MSL（Maximum Segment Lifetime），TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

第一，保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，站在服务器的角度看来，我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了，客户端还没有给我回应，应该是我发送的请求断开报文它没有收到，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器。

第二，防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，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。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

5. 为什么建立连接是三次握手，关闭连接确是四次挥手呢？

建立连接的时候， 服务器在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。
而关闭连接时，服务器收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，而自己也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即关闭，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送，从而导致多了一次。

6. 如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。

7. 什么时候使用TCP

当对网络通讯质量有要求的时候，比如：整个数据要准确无误的传递给对方，这往往用于一些要求可靠的应用，比如HTTP、HTTPS、FTP等传输文件的协议，POP、SMTP等邮件传输的协议。 在日常生活中，常见使用TCP协议的应用如下： 浏览器，用的HTTP FlashFXP，用的FTP Outlook，用的POP、SMTP Putty，用的Telnet、SSH QQ文件传输

8. 什么时候应该使用UDP：

当对网络通讯质量要求不高的时候，要求网络通讯速度能尽量的快，这时就可以使用UDP。 比如，日常生活中，常见使用UDP协议的应用如下： QQ语音 QQ视频 TFTP

TCP协议

TCP协议位于传输层， 提供可靠的字节流服务。所谓的字节流服务（Byte Stream Service） 是指， 为了方便传输， 将大块数据分割成以报文段（segment） 为单位的数据包进行管理。 而可靠的传输服务是指， 能够把数据准确可靠地传给对方。 即TCP 协议为了更容易传送大数据才把数据分割， 而且 TCP 协议能够确认数据最终是否送达到对方。所以，TCP连接相当于两根管道（一个用于服务器到客户端，一个用于客户端到服务器），管道里面数据传输是通过字节码传输，传输是有序的，每个字节都是一个一个来传输。

TCP 的包头格式

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字段说明
TCP 的包头有哪些内容，分别有什么用

通过对 TCP 头的解析，我们知道要掌握 TCP 协议，应该重点关注以下问题：

TCP是面向连接的协议，也就是说，在收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来，三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步，经过三次“对话”之后，主机A才向主机B正式发送数据

TCP连接的建立（三次握手）

tcp的三次握手是很有意思的，基本思想就是“让我知道你已经知道”了。服务器监听请求，客户端发起连接请求（第一次连接），请求在路上可能存在丢失的风险，所以当请求到了服务器后如果服务器同意建立连接会给客户端一个回信（第二次连接），告诉它：我已经收到请求，可以连接。但是回信也存在一个问题，那就是回信能不能到客户端？它需要客户端给他一个回信说我已经收到批准通知了，如果客户端一直不回复的话意味着客户端没有收到批准通知。因此客户端一收到批准通知就立马回复（第三次握手）：我收到你的批准通知了。至此，三次握手结束。
一个很类似的例子就是投简历：先投简历，然后对方公司会通知你通过简历筛选，你收到这个通知后一般会回复一下我知道了。 这种“让我知道你已经知道了”的想法是一种约定俗成的可靠信息交互的基本方式，基于此想法构建的信息交互框架叫做协议。

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最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端，被动打开连接的是服务器。

  1. TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；

  2. TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出连接请求报文，这时报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。

  3. TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。

  4. TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。

  5. 当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。

TCP连接的释放（四次挥手）

释放连接的时候也是如此：客户端发起关闭连接的请求，关闭连接意味着客户端结束了自己的工作即发送数据，但此时仍然处于数据传输的过程中，服务器可能未数据传输完毕，因此当请求到服务器时服务器知道了这个请求，但服务器数据传输未完成无法关闭连接，因此服务器先发送一个ack告诉客户端关闭请求已收到，但老子正忙，一会再关，你再等一会。等服务器工作完成了，就把fin信号发送给客户端，此时服务器要等着客户端给他一个回信，让服务器知道客户端已经知道了。因此客户端收到后就给服务器一个回信，为了防止回信丢失，客户端就再等2MSL个时间，之所以是2个，是因为涉及到来回，第一个MSL中是回信在路上的最大时间，第二个MSL是万一回信没到服务端，服务端重发的FIN确认在路上的时间（不知道这样理解对不对）。

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数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。

UDP协议

UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）

（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。

UDP包头

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UDP 的特点

UDP应用场景

基于 UDP 的几个例子

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