TCP/UDP备忘

ISO模型与TCP/IP模型

ISO 七层模型		TCP/IP 四层模型
应用层	HTTP HTTPS DNS SMTP SNMP FTP Telnet SSH	应用层
表示层
会话层	SSH RPC ASP BSD Sockets
传输层	TCP UDP RTP SCTP SPX ATP IL	传输层
网络层	IP ICMP IGMP BGP OSPF RIP ARP RARP	网络互连层
数据链路层	Etherent HDLC WIFI FDDI PPP	网络接口层
物理层		网络接口层

只运行在TCP上协议：

HTTP、HTTPS
FTP（文件传输协议）：用于文件传输
POP3（邮局协议）：用来收取邮件
SMTP（简单邮件传输协议）：用来发送邮件
Telnet（虚拟终端协议）：通过终端登陆到网络；
SSH（Secure Shell）：用来替代安全性较差的Telnet，用于加密安全登陆；

只运行在UDP上的协议：

DNS（域名解析协议）：DNS通常基于UDP协议；
SNMP（简单网络管理协议）：用来收集和管理网络信息；
TFTP
VOIP

运行在TPC和UDP上的协议

DNS (Domain Name Service，域名服务) ，用于完成地址查找，邮件转发等工作
ECHO (Echo Protocol, 回绕协议) ，用于查错及测量应答时间

端口

传输层按照端口号寻址（数据链路层按照MAC地址寻址，网络层按照IP地址寻址）；

传输层的端口号大小占16位，端口号只具有本地意义，用来标识应用层中的各个进程；

TCP首部

TCP数据（TCP首部+TCP数据）被封装在一个IP数据报中

不考虑选项字段的情况下，TCP首部大小为20字节；

Seq/Sequence number/序号：大小32位，seq序号用来标识TCP发送方发送的字节流，由发送方进行标记

TCP用序号对字节流的每个字节进行计数，表示该报文段中的第一个数据字节；
序号物理上是32位的无符号数，序号到达2³²-1之后又从0开始；

Ack/Acknowledge number/确认序号：大小32位，只有ACK = 1时（ACK与Ack是两码事），确认序号字段才有效，Ack = Seq + 1；

Ack表示发送确认一方所期望收到的下一个序号，因此ACK序号 = 上次已成功收到的数据字节序号 + 1；

检验和：大小16位，由发送方计算和存储，接收方进行验证；

选项/可选字段：最常见的可选字段时最长报文大小MSS(Maximum Segment Size)，指明本段所能接收报文的最大长度；

标志位：大小6位，分别为URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN；

URG(Urgent)：紧急指针有效（待补充）
ACK(Acknowledge)：确认序号/Ack有效
PSH(Push)：接收方应尽快将该报文段交给应用层
RST(Reset)：重置连接；
SYN(Synchronous)：建立一个新连接时，SYN = 1，序号字段Seq表示该连接的初始序号ISN(Initial Sequence Number)；
FIN(Finish)：释放一个连接，

TCP建立连接-三次握手

1. 第一次握手（Client==>>Server）：Client向Server申请建立Client到Server的连接

SYN = 1：Client向Server请求建立单向连接
Seq = 200：Client告诉Server它将在连接中发送数据的初始序号为200
不携带任何应用层数据
Client进入SYN_SENT状态

2. 第二次握手（Server==>>Client）：Server收到数据包后，确认建立Client到Server的连接，同时希望建立Server到Client的连接；

SYN = 1：Server向Client请求建立单向连接
Seq = 500：告诉Client，Server将在连接中发送数据的初始序号为500
ACK = 1：确认收到Client发送Seq = 200的数据包，同意建立Client到Server的单向连接
Ack = 201：期望下次收到Seq = 201的数据包
Server同意建立连接后，会为连接分配缓存和变量
Server进入SYN_RCVD状态

3. 第三次握手（Client==>>Server）：Client再次确认Server的确认，并且确认建立Server到Client的连接；

Seq = 201：数据包编号
ACK = 1：确认收到Server发送Seq = 500的数据包，同意建立Server到Client的单向连接
Ack = 501：期望下次收到Seq = 501的数据包
不携带任何应用层数据
Client同意建立连接，会为连接分配缓存和变量
Client和Server都进入ESTABLISHED状态，完成三次挥手

★ TCP为何采用三次握手建立连接，二次握手可以吗？

答：

TCP采取三次握手建立连接是为了防止失效的连接请求报文段造成错误；

如果采用二次握手，当Client第一次发送的连接请求报文段由于网络延迟没有及时送达，Client误以为报文段丢失，重发一个新的连接请求报文给Server端，Server端确认后双发建立TCP连接。当延迟到达的连接请求报文到达时，Server端误以为Client再次请求建立连接，回复确认报文段，但是Client不再处理Server的回复确认报文段，导致Server一直空等，造成资源浪费，大量的连接失效请求报文会导致Server端崩溃；

TCP释放连接-四次挥手

1. 第一次挥手：申请关闭Client到Server的连接

FIN = 1：Client申请关闭Client到Server的连接；
ACK = 1, Ack = 500：Client回复挥手之前的报文，期望Server回复序号为500的同意报文段；
Client进入FIN_WAIT_1状态

2. 第二次挥手：同意关闭Client到Server的连接

Server端收到FIN后，同意关闭Client到Server的连接
Server进入CLOSE_WAIT状态
Client进入FIN_WAIT_2状态
此时TCP处于半关闭状态：Client到Server连接关闭，但是Server到Client连接仍然可用

3. 第三次挥手：申请关闭Server到Client的连接

Server发送一个FIN，申请关闭Server到Client的连接
Server进入LAST_ACK状态

4. 第四次挥手：同意关闭Server到Client的连接

Client接着发送ACK给Server，同意关闭Server到Client的连接
Client发送ACK后，Client进入TIME_WAIT状态，保持2MSL时间

MSL(Maximum Segment Lifetime)：报文段在网络上的最大生存时间，超过这个时间的报文将被丢弃；
当Client等待了2MSL时间后又收到FIN，证明之前发送的ACK没有送达Server（Server重发了FIN），于是Client重发ACK；
当Client等待了2MSL时间后没收到FIN，证明之前发送的ACK已经送达Server，Client进入CLOSED状态，完成四次挥手

Server收到ACK后进入CLOSED状态，完成四次挥手

★ TCP为何采用四次挥手释放连接，三次挥手可以吗？

答：TCP连接是全双工连接，每个FIN报文段，都需要一次ACK报文确认。一端收到另一端发送的FIN报文段时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，而且己方也未必将全部数据发送给对方，因此己方可以发送一些数据给对方后再发送FIN，或者立即发送FIN申请关闭连接，因此第二次挥手和第三次挥手是分开进行的，需要四次挥手；

TCP状态迁移图

UDP首部

UDP数据报分为UDP首部和UDP数据，其中UDP首部大小占8字节；

UDP长度字段 = UDP首部+UDP数据的字节长度 = IP数据报长度 - IP首部长度，最小值为8字节（发送一个0字节的UDP数据报）；

UDP适用于系统资源有限，要求较好实时性，较小网络开销，传输速度快的场合；

TCP与UDP辨析

TCP与UDP不同

TCP是有连接的，必须通过三次握手建立连接；而UDP是无连接的，不需要建立连接；
TCP是可靠的传输，TCP协议通过确认和重传机制来保证数据传输的可靠性；而UDP是不可靠的传输，不保证数据准确无误到达目的地；

TCP通过超时重传，ACK确认等机制提供可靠传输；

TCP提供流量控制，UDP不提供流量控制；

TCP通过接收窗口rwnd控制对端发送的流量；

TCP提供拥塞控制机制，UDP没有拥塞控制，网络阻塞时导致网络性能下降；
TCP是基于字节流的，将数据看做无结构的字节流进行传输，当应用程序交给TCP的数据长度太长，超过MSS时，TCP就会对数据进行分段，因此TCP的数据是无边界的；而UDP是面向报文的，无论应用程序交给UDP层多长的报文，UDP都不会对数据报进行任何拆分等处理；

TCP与UDP相同

TCP与UDP都是全双工连接；
TCP与UDP都可以使用IPv4或IPv6；