UDP/TCP协议全解

目录

一. UDP协议

1.UDP协议概念

2.UDP数据报格式

3.UDP协议差错控制

二. TCP协议

1.TCP协议概念

2.三次握手与四次挥手

3.TCP报文段格式（重点）

4.流量控制

5.拥塞控制

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一. UDP协议

1.UDP协议概念

当应用层的进程1要向进程2传输报文，会将报文转给传输层处理；UDP会在报文前加上一个UDP首部（只占8字节），组成一个UDP数据包；最后再发到网络层，网络层再加上一个IPV4首部，根据这个首部信息找到目的地址；然后主机B收到这个IP数据包以后，进行逆操作

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• UDP首部很小，只占8B
• UDP会拒绝过大的报文，因为它每次只能传输一个完整报文，不支持拆分、重装
• UDP无连接、不可靠的（无报错确认机制，由应用层完成），不支持拥塞控制（路由器过载运作，传输数据报的速度不会慢下来）
• UDP支持一对一+一对多（一对一封装成单播IP数据报，一对多封装成广播、多播IP数据报）

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UDP一对一的方法与TCP相同

一对多是通过目的IP为 255.255.255.255 （广播IP，往目的网络所有的主机进行数据发送），然后后面加上一整个UDP协议下的数据报。UDP能支持广播很重要的一个原因在于：不需要进行拆分、重装，可以一次性全部传输完；同时，UDP是通过UDP首部中设置目的端口号来寻找目标主机，然后对目的端口的所有主机进行数据传输（TCP也是通过目的端口寻找目标主机，但找到一众目标主机后只能与其中之一进行连接），所以可以通过端口号一次性找到多台目标主机（如下图，主机A要向目的网络的所有端口为711的主机发送消息）

 

2.UDP数据报格式

UDP长度：声明数据报大小，固定只有16比特（即65535字节，2^15+2^14+……+2^0 = 65535）；由于一个IP数据报可以运输的最大数据量是65515字节，因此UDP协议下的数据报最大只能是65535字节；UDP长度应该是UDP首部+报文的大小，不是单指报文大小

UDP校验和：由发送方计算并输入，接收方检验是否错误，全0代表无需校验

 

3.UDP协议差错控制

检验信息的生成与使用：若有32bit数据信息，相加以后逐位取反；此时数据相加的结果，与取反以后的检验和相加，应该正好为全1（数据为0的地方，检验和肯定为1；数据为1的地方，检验和肯定为0）；接收方只要看检验和与数据相加以后是否为全1，如果为全1就代表没出差错；如果最高位产生进位，就需要“回卷”加到最低位

UPD检验的过程：生成检验和前，先在UDP首部前生成一个伪首部；把伪首部、UDP首部与数据部分分以16bit为一组，进行检验和生成；生成了以后去除掉伪首部，通过网络层传输以后，接收方接受了以后也需要生成伪首部，然后判断相加是否为1（具体流程如下图）

IP协议的首部检验和方法与UDP大致相同，只是IP检验和数据部分不参与，UDP检验和要将数据部分也算上；同时，IP进行校验和时不需要添加伪首部

 

二. TCP协议

1.TCP协议概念

UDP与TCP之别

TCP首部很大且大小可变，要有20字节~60字节；TCP可以对报文进行分组、重装传输，因此可以传输大的报文（类比成分组交换）；TCP需要连接（类似于电路交换），且会发送接受成功、接受错误信息 -> 可靠，并且能够进行流量控制，并且只能一对一；TCP传输内容叫做报文段（面向字节流），UDP传输内容叫做数据报（面向整体报文）

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TCP特点

n个TCP报文段可能乱序到达接收方，但TCP协议会按序向应用层递交；每次建立TCP连接以后，可以双向传输多个报文；MSS是由通信双方决定的报文段最大段长，TCP不要求报文段满载，只要别超过MSS即可

 

2.三次握手与四次挥手

注：挥手操作A、B两端谁先结束，谁先释放连接

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三次握手

握手1、握手2不能携带数据，但是仍要消耗一个序号；握手3可以携带数据，不携带数据就不消耗序号，此处的序号指的是ack、seq后面的数字；接收端的序号与发送端的区号是可以不一样的，可以理解成两端发送的数据不一样

客户端、服务器进程TCP状态变化如下图所示

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四次挥手

挥手1、挥手3即使不携带数据，也要消耗1个序号；挥手2可以携带数据，挥手4不可以携带数据

客户端、服务器进程TCP状态变化如下图所示。MSL指的是最长报文段寿命，1MSL指800ms，2MSL代表1600ms过后客户端才会真正关闭连接

 

 

3.TCP报文段格式（重点）

序号（seq）：用于标记数据部分第一个字节在原始字节流的位置，起始序号由发送方自己设置（不一定从0开始）

确认号（ack或者ack_seq）：用于反馈，表示序号在该确认号之前的所有字节都已正确收到；ACK = 0 时，ack 无效，ACK = 1 时，ack 有效；只有第一次挥手时，ack会是无效的，其他情况下ack都应该有效（若无效则说明出现了差错，例如报文段丢失）

数据偏移（data offset）：表示TCP首部长度，以4字节为单位（比如现在的tcp首部只有3字节，那么此时就需要通过后面的填充部分加上1字节），表示形式是字节实际存储用的是比特位

保留：暂时没用，通常全设置为0

填充：被用来解决数据偏移问题，凑足4字节的整数倍

URG（紧急位）：只占1bit，为1时表示是紧急数据要尽快插队发送；当该位为1时，会让紧急指针有效，紧急指针存放了紧急数据专用序号

PSH（推送位）：为1时希望接收方尽快回复

RST（复位位）：为1时表示出现严重差错（例如主机崩溃），必须释放连接；或者需要拒绝一个非法报文段（例如恶意的黑客攻击）

SYN（同步位）：为1时表示这是一个连接请求或连接接受报文；只在握手1、握手2中，SYN = 1

FIN（终止位）：为1时表示请求释放连接报文；只在挥手1、挥手3中，FIN = 1

窗口（rwnd或者rcvwnd）：用作流量控制，假设现在的接受缓冲区还剩下500B空间，那么此时的rwnd = 500（即接收方还能接受多少数据）

检验和：和UDP原理一样

选项（长度可变）：协商决定了在握手1、握手2当中，MSS字段大小多少

 

 

4.流量控制

窗口大小与MSS大小不一的原因：接受发送的端口，主机的处理能力不一样

如果缓存区域大小为3000字节，那么滑动窗口大小为3000字节，当被占满以后处理了2000字节，此时的滑动窗口大小为2000字节。不同的滑动窗口大小，在回复信息时的rwnd大小都不一样，同时为0时的ACK主要是告诉发送方接受成功。

 

5.拥塞控制

cwnd是针对发送方而言的，一个限制性的滑动窗口

超时：如果发送了当前窗口大小的数据量，在规定的时间内没有接收到接收方发来的确认好，那么就会超时重传；发送超时重传以后，慢开始的下限值会变成当前滑动窗口的一半大小，然后又开始进入到慢开始阶段

3-ACK：收到了一条数据的三次确认信息，说明有该数据发送失败了；此时停止发送，然后将传输失败的数据快重传；因为并非由于数据过多而导致的传输失败，因此不用进行慢开始；变一半同超时