TCP协议和UDP协议详细

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TCP协议和UDP协议工作在传输层

UDP 和 TCP 的应用

TCP协议

TCP头部

TCP首部承载这TCP协议需要的各项信息，下面我们来分析一下：

  • TCP端口号
    TCP的连接是需要四个要素确定唯一一个连接：
    （源IP，源端口号）+ （目地IP，目的端口号）
    所以TCP首部预留了两个16位作为端口号的存储，而IP地址由上一层IP协议负责传递
    源端口号和目地端口各占16位两个字节，也就是端口的范围是2^16=65535
    另外1024以下是系统保留的，从1024-65535是用户使用的端口范围
  • TCP的序号和确认号：
    32位序号 seq：Sequence number 缩写seq ，TCP通信过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的序号，通过这个来确认发送的数据有序，比如现在序列号为1000，发送了1000，下一个序列号就是2000。
    32位确认号 ack：Acknowledge number 缩写ack，TCP对上一次seq序号做出的确认号，用来响应TCP报文段，给收到的TCP报文段的序号seq加1。
  • TCP的标志位
    每个TCP段都有一个目的，这是借助于TCP标志位选项来确定的，允许发送方或接收方指定哪些标志应该被使用，以便段被另一端正确处理。
    用的最广泛的标志是 SYN，ACK 和 FIN，用于建立连接，确认成功的段传输，最后终止连接。
    1. SYN：简写为S，同步标志位，用于建立会话连接，同步序列号；
    2. ACK： 简写为.，确认标志位，对已接收的数据包进行确认；
    3. FIN： 简写为F，完成标志位，表示我已经没有数据要发送了，即将关闭连接；
    4. PSH：简写为P，推送标志位，表示该数据包被对方接收后应立即交给上层应用，而不在缓冲区排队；
    5. RST：简写为R，重置标志位，用于连接复位、拒绝错误和非法的数据包；
    6. URG：简写为U，紧急标志位，表示数据包的紧急指针域有效，用来保证连接不被阻断，并督促中间设备尽快处理；

三次握手

三次握手建立连接：解决网络信道不可靠的问题，在不可靠的信道上建立起可靠的连接。

所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个 TCP 连接时，需要客户端和服务器总共发送3个报文。

三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立 TCP 连接，并同步连接双方的序列号和确认号，交换 TCP 窗口大小信息。在 socket 编程中，客户端执行 connect() 时。将触发三次握手。

三次握手过程的示意图如下：

  • 第一次握手：
    客户端将TCP报文标志位SYN置为1，随机产生一个序号值seq=J，保存在TCP首部的序列号(Sequence Number)字段里，指明客户端打算连接的服务器的端口，并将该数据包发送给服务器端，发送完毕后，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认。

  • 第二次握手：
    服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务器端将TCP报文标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个序号值seq=K，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务器端进入SYN_RCVD状态。

  • 第三次握手：
    客户端收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。

注意:我们上面写的ack和ACK，不是同一个概念：

  • 小写的ack代表的是头部的确认号Acknowledge number， 缩写ack，是对上一个包的序号进行确认的号，ack=seq+1。
  • 大写的ACK，则是我们上面说的TCP首部的标志位，用于标志的TCP包是否对上一个包进行了确认操作，如果确认了，则把ACK标志位设置成1。

三次握手后，客户端和服务端都进入了数据传输状态。

为什么需要三次握手？

我们假设client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。

假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。

所以，采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。

举个栗子
公安局长王哥 和 陈某打电话

公安局：你好！陈某，听得到吗？（一次会话）
陈某：听到了，王哥，你能听到吗 （二次会话）
公安局：听到了，你过来自首吧 （开始会话）（三次会话）

通过这个例子我们可以知道三次会话的目的就是为了确保双方的连接正常

丢包问题

tcp为每个连接建立了一个发送缓冲区，建立连接后的第一个字节的序列号为0，后面每个字节的序列号会增加1

四次挥手

四次挥手即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。由于TCP连接是全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭。

四次挥手过程的示意图如下：

挥手请求可以是Client端，也可以是Server端发起的，我们假设是Client端发起：

  • 第一次挥手： Client端发起挥手请求，向Server端发送标志位是FIN报文段，设置序列号seq，此时，Client端进入FIN_WAIT_1状态，这表示Client端没有数据要发送给Server端了。
  • 第二次挥手：Server端收到了Client端发送的FIN报文段，向Client端返回一个标志位是ACK的报文段，ack设为seq加1，Client端进入FIN_WAIT_2状态，Server端告诉Client端，我确认并同意你的关闭请求。
  • 第三次挥手： Server端向Client端发送标志位是FIN的报文段，请求关闭连接，同时Client端进入LAST_ACK状态。
  • 第四次挥手 ： Client端收到Server端发送的FIN报文段，向Server端发送标志位是ACK的报文段，然后Client端进入TIME_WAIT状态。Server端收到Client端的ACK报文段以后，就关闭连接。此时，Client端等待2MSL的时间后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，Client端也可以关闭连接了。

MSL：报文段最大生存时间，它是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。

UDP协议

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）
UDP是传输层的协议，功能即为在IP的数据报服务之上增加了最基本的服务：复用和分用以及差错检测。

UDP头部

UDP首部有8个字节，由4个字段构成，每个字段都是两个字节，
1.源端口： 源端口号，需要对方回信时选用，不需要时全部置0.
2.目的端口：目的端口号，在终点交付报文的时候需要用到。
3.长度：UDP的数据报的长度（包括首部和数据）其最小值为8（只有首部）
4.校验和：检测UDP数据报在传输中是否有错，有错则丢弃。