网络通信-TCP/UDP

参考：
https://blog.csdn.net/zhang6223284/article/details/81414149
https://blog.csdn.net/qq_38950316/article/details/81087809
https://www.cnblogs.com/qdhxhz/p/8470997.html

TCP/IP是个协议组，可分为三个层次：网络层、传输层、应用层。
网络层有：IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议、BOOTP协议。
传输层有：TCP协议、UDP协议。
应用层有：FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等协议。

TCP，UDP，HTTP

• TCP是基于TCP协议实现的网络文本协议，属于传输层
• UDP是和TCP对等的，属于传输层
• HTTP本身就是一个协议，是从Web服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。基于TCP。

一、TCP

包头

TCP包头.jpg

• 源端口、目标端口必不可少
• 包的序号：主要用来解决乱序问题
• 确认序号：发出去的包应该由确认，这样能知道对方是否收到，如果没收到就应该重新发送，主要解决丢包问题
• 状态位：SYN是发起一个链接，ACK是回复，RST是重新连接，FIN是结束连接。TCP是面向连接的，因此需要双方维护连接的状态，这些状态位的包会引起双方的状态变更
• 窗口大小：TCP要做流量控制，需要通信双方各声明一个窗口，标识自己当前的处理能力

使用TCP协议的连接建立与断开，正常过程下至少需要发送7个包才能完成，就是我们常说的三次握手，四次挥手。

TCP三次握手+四次挥手.png

• 序列号 Sequeuece number(seq)：数据包本身的序列号，初始序列号是随机的。
• 确认号 Acknowledgment number(ack)：在接收端，用来通知发送端数据成功接收。
• 标志位，标志位只有为 1 的时候才有效：
  SYN（synchronize）：同步序列编号，表示在连接建立时用来同步序号。
  ACK（Acknowledgement）：确认字符，TCP协议规定，只有ACK=1时有效，也规定连接建立后所有发送的报文的ACK必须为1。
  FIN（finish）：用来释放一个连接。当FIN=1时，表明此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放连接。

建立连接：三次握手

一次TCP连接的建立需要三次握手。

TCP三次握手.jpg

• 第一次握手：
  客户端向服务端发送请求报文；即SYN=1，ACK=0，seq=x。建立连接时，客户端发送SYN包（syn=j）到服务端，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；
  A：你好，我是A

• 第二次握手：
  服务器收到SYN包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYNC_RECV状态；
  B：你好，A，我是B

• 第三次握手：
  客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK（ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务端进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。
  A：你好，B

为什么需要三次握手，而不是两次？

client发送了第一个连接的请求报文，但是由于网络不好，这个请求没有立即到达服务端，而是在某个网络节点中滞留了，直到某个时间才到达server，本来这已经是一个失效的报文，但是server端接收到这个请求报文后，还是会想client发出确认的报文，表示同意连接。假如不采用三次握手，那么只要server发出确认，新的建立就连接了，但其实这个请求是失效的请求，client是不会理睬server的确认信息，也不会向服务端发送确认的请求，但是server认为新的连接已经建立起来了，并一直等待client发来数据，这样，server的很多资源就没白白浪费掉了，采用三次握手就是为了防止这种情况的发生，server会因为收不到确认的报文，就知道client并没有建立连接。这就是三次握手的作用。

断开连接：四次挥手

TCP四次挥手.jpg

• 第一次挥手：
  TCP发送一个FIN(结束)，用来关闭客户到服务端的连接。
  客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。

• 第二次挥手：
  服务端收到这个FIN，他发回一个ACK(确认)，确认收到序号为收到序号+1，和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
  服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
  客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。

• 第三次挥手：
  服务端发送一个FIN(结束)到客户端，服务端关闭客户端的连接。
  服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。

• 第四次挥手：
  客户端发送ACK(确认)报文确认，并将确认的序号+1，这样关闭完成。
  客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
  服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

A：B，我不想玩了
B：哦，A你不想玩了啊，我知道了
（此时，只是A不想玩了，即不再发送数据，但B可能还有未发送完的数据，所以需要等待B也主动关闭）
B：A，好吧，我也不玩了，再见
A：好的，再见

为什么需要四次挥手？

关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可以未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。
可能有人会有疑问，tcp我握手的时候为何ACK(确认)和SYN(建立连接)是一起发送。挥手的时候为什么是分开的时候发送呢？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。故需要四次挥手。

客户端突然挂掉了怎么办？

正常连接时，客户端突然挂掉了，如果没有措施处理这种情况，那么就会出现客户端和服务器端出现长时期的空闲。解决办法是在服务器端设置保活计时器，每当服务器收到客户端的消息，就将计时器复位。超时时间通常设置为2小时。若服务器超过2小时没收到客户的信息，他就发送探测报文段。若发送了10个探测报文段，每一个相隔75秒，还没有响应就认为客户端出了故障，因而终止该连接。

累计确认

为了保证顺序性，每个包都有一个 ID。在建立连接的时候会商定起始 ID 是什么，然后按照 ID 一个个发送，为了保证不丢包，需要对发送的包都要进行应答，当然，这个应答不是一个一个来的，而是会应答某个之前的 ID，表示都收到了，这种模式成为累计应答或累计确认。

为了记录所有发送的包和接收的包，TCP 需要发送端和接收端分别来缓存这些记录，发送端的缓存里是按照包的 ID 一个个排列，根据处理的情况分成四个部分：1、发送并且确认的；2、发送尚未确认的；3、没有发送等待发送的；4、没有发送并且暂时不会发送的。这里的第三部分和第四部分就属于流量控制的内容。

对于接收端来讲，它的缓存里面的内容要简单一些：1、接收并且确认过的；2、还没接收，但是马上就能接收的；3、还没接收，但也无法接收的。

TCP为什么是可靠连接

• 通过TCP连接传输的数据无差错，不丢失，不重复，且按顺序到达。
• TCP报文头里面的序号能使TCP的数据按序到达。
• 报文头里的确认序号能保证不丢包，累计确认及超时重传机制。
• TCP拥有流量控制及拥塞控制的机制。

二、UDP

包头

UDP包头.jpg

特点

• 不需要大量的数据结构、处理逻辑和包头字段
• 不会建立连接，但会监听指定端口，谁都可以传给它数据，它也可以传给任何人数据，可以同时传给多个人数据
• 不会根据网络的情况进行拥塞控制，无论是否丢包，它该怎么发还是怎么发

主要应用场景

• 需要资源少，网络情况稳定的内网，或者对丢包不敏感的应用。比如DHCP就是基于UDP协议的
• 不需要一对一沟通、建立连接，而是可以广播的应用。因为它不面向连接，所以可以做到一对多，承担广播或多播的协议
• 需要处理速度快，可以容忍丢包，但是即使网络拥塞，也毫不退缩、一往无前的时候

基于UDP的几个例子

• 直播。直播对实时性要求比较高，宁可丢包，也不要卡顿，所以很多直播应用都基于UDP实现自己的视频传输协议
• 实时游戏。游戏的特点也是实时性比较高，在这种情况下，采用自定义的可靠的 UDP 协议，自定义重传策略，能够把产生的延迟降到最低，减少网络问题对游戏造成的影响
• 物联网。一方面，物联网领域中断资源少，很可能知识个很小的嵌入式系统，而维护 TCP 协议的代价太大了；另一方面，物联网对实时性的要求也特别高。比如 Google 旗下的 Nest 建立 Thread Group，推出了物联网通信协议 Thread，就是基于 UDP 协议的

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TCP和UDP对比

• TCP是面向连接的，UDP是面向无连接的
  在互通之前，面向连接的协议会先建立连接，如TCP三次握手，但UDP不会
• UDP程序结构较简单
• TCP是面向字节流的，UDP是基于数据报的
• TCP保证数据正确性，UDP可能会丢包
• TCP保证数据顺序，UDP不保证