高级 C 与网络编程复习（2）—— 传输层：TCP、UDP、SC

2020-04-23 本文已影响0人 SunnyQjm

总图（Big Picture）

TCP/IP 协议概况

UDP

UDP 应用程序将数据封装到 UDP 数据报，，并将其写到 UDP socket。进而封装成 IPV4 或 IPV6 数据报（datagram），然后发送到目的地
UDP 提供的是无连接的服务（connectionless service）
每个 UDP 数据报都有一个长度，如果一个数据报正确地到达目的地，那么数据报的长度将随数据一道传递给接收端应用程序
RFC 768 [Postel 1980]

TCP

面向连接（Connection-oriented）
提供可靠传输（Reliable）
TCP 通过给每个字节关联一个序列号（sequence）对所发送的数据进行排序（sequencing）
TCP 提供流量控制（flow control）==> 控制接收端收包的速率
全双工（full-duplex）

TCP 连接的建立和终止

三路握手 ———— Three-Way Handshake (SYN, ACK)
TCP 三路握手
1. 服务器通过 socket，bind，listen 创建一个监听 socket，并调用 accpet 准备接受外来的连接（这些工作要在客户端请求来临之前做好）。
2. 客户端通过 socket 函数创建一个未连接的 socket，再调用 connect 尝试连接到服务器（此时客户端阻塞，等待服务器响应）。此时会向服务器发送一个 SYN 包（表明客户端欲向服务器申请服务），等待服务器的确认。
3. 服务器收到 SYN 包，则向客户端发送一个 ACK（告诉客户端，请求我已经收到）。同时发送一个 SYN（通知客户端服务器需要知道客户端是否收到回复，收到则请回一个 ACK）
4. 客户端收到服务器发回的 ACK 和 SYN 之后，connect 函数返回（表示连接服务器成功），并向服务器回一个 ACK（告知服务器我已经收到你的回复）
5. 服务器收到客户端的 ACK 以后 accept 函数返回（此时连接正式建立，可以开始后通信）
  - ACK 如果不捎带数据的话，是不占序列号的
  - SYN 占一个序列号
四路终止 ———— Four-Way Termination (FIN, ACK)
TCP 连接关闭时的分组交换 (客户端主动关闭连接)
1. 客户端调用 close（任意一端都可以发起终止，此处以客户端发起为例，发起终止的一端称为执行主动关闭）。接着向服务器发送一个 FIN，表示数据发送完毕
2. 服务器接收到 FIN 后回复一个 ACK（此时服务器称为执行被动关闭的一端），同时服务器的 read 函数会读到一个 EOF，导致 read 函数退出
3. 一段时间后，服务器也调用 close，向客户端发送一个 FIN
4. 客户端收到 FIN 以后回复一个 ACK
  - FIN 占一个序列号
  - 在被动关闭一端收到 FIN 到其调用 close 函数之间的间隙，称为半关闭状态（half-close），在这段时间内理论上仍然有发送数据的可能（但是通过 close 方式关闭的话，时无法再进行通信的，因为 close 会同时关闭写一端和读一端，后面接收 shutdown 就可以只关闭写或读）
  - 当一个 Unix 进程无论自愿（调用 exit 或 main 函数返回）还是非自愿（收到一个终止本进程的信号）的终止时，所有打开的描述符都将被关闭，这也导致主机向仍然打开的任何 TCP 连接上发出一个 FIN（对于那些描述符只被这个终止的进程持有的连接而言）

TCP 状态转换图

TCP 状态转换图

上述状态转移图中的细线表示的是可能执行的路线。粗线和虚线表示的是 TCP 服务器和客户端正常情况（或说大多数情况）走的状态转移路线。
当发生错误，或遇到一些比较凑巧的事件，就可能走细线指向的转移路线
- 举例来说：途中有一条细线是 SYN_SENT ——> SYN_RCVD 的
- 这种情况可能是客户端发出了一个 SYN 到服务器，并希望服务器回一个 ACK 和一个 SYN
- 但是由于一些不可预知的错误，服务器返回的 SYN 和 ACK 只有 SYN 回到了客户端，而 ACK 则延迟了或丢了
- 这个时候客户端的状态就转移到了 SYN_RCVD。之后一旦收到 ACK（可能是服务器发送的消息丢包后重传，也可能是延迟的消息到达了），则客户端的状态可正常转移到 ESTABLISHED 状态

TCP 的限制

TCP 同时提供可靠数据传输和严格的有序数据分发。然而有一些应用程序需要可靠数据传输，但是不需要顺序维护，而另一些应用过程序只需要部分有序即可。
TCP 这种面向数据流的传输方式有时候是不方便的。应用程序必须添加自己的记录标记。
TCP 套接字的范围有限，使得为多宿主主机提供高可用数据传输能力的任务变得复杂
容易受到拒绝服务攻击，例如 SYN 攻击
这些限制影响公共交换电话网的 IP 性能