TCP和UDP

网络层解决了计算机到计算机之间的通信问题，传输层协议通过加入端口号，来实现每台机器上的不同进程之间的通信。

TCP的可靠数据传输

TCP 的可靠数据传输服务确保数据在传输中是完整且按序的

需要解决的问题

• 乱序 序号seq
  接收方接收到多个报文后，可以基于seq多数据包进行升序排序，并且通过检查seq的值，可以判断接收的数据是否有间隔，以及数据是否是有序的。
  接收方可以根据seq判断出该数据包是不是已经被接收了，这样顺带还解决了数据冗余的问题
• 丢包
  • 确认号ack+超时/重传
  • 拥塞控制 解决网络延时突然增加，触发大量的数据重传，导致网络负担加重问题
  • 流量控制 当接收方来不及处理发送方数据时，提示发送方降低发送的速率，防止包丢失

序号 和 确认号

TCP协议面向字节流，为每个字节都编上序号。在发送时多个字节组成报文段发送。
序号seq字段 指的是一个报文段第一个子节的序号
确认号ack字段 指的是希望收到的下一个报文段的第一个字节的序号

TCP提供全双工通信:

• 发送缓存: 准备发送的数据&已经发送但没有收到确认的数据
• 接受缓存:按序到达但没有被应用程序读取的数据 & 没有按需到达的数据

TCP默认使用累计确认
只会返回应该按序接受的报文段第一个字节的序号

累计确认可以让我们同时对多个接受的报文进行一次确认

重传

超时+重传
发送方发送一个未被确认的数据包后就启动一个计时器，如果在指定时间内没有收到ACK， 发送方可以重传该报文

存在问题:等待时间太长

冗余确认(冗余ACK) 提前知道数据丢失-快速重传

每当比期望序号大的失序报文段到达时，发送一个冗余ACK，指明下一个期待字节的序号。

TCP发送方一次性可以发送多个报文段，接收方使用累计确认

TCP流量控制

流量控制:让发送方慢点，要让接收方来得及接受
TCP利用滑动窗口机制实现流量控制

控制方:接收方
被控制方:发送方

原理
在通信过程中，接收方根据自己接受缓存的大小,通过设置确认报文段的窗口字段来将rwnd(接受窗口)通知给发送方，发送方的发送窗口取接受窗口rwnd和拥塞窗口cwnd的最小值。

• 接受窗口:接收方根据接受缓存设置的指，并告知给发送方，反映接收方容量
• 拥塞窗口:发送方根据自己估算的网络拥塞程度而设置的窗口值，反映网络当前的容量

TCP拥塞控制

拥塞控制的目的:防止过多的数据注入到网络中，全局性。

四种算法

• 慢开始+拥塞避免
• 快重传 + 快恢复

慢开始 + 拥塞避免

假定
1.数据单方向传送，而另一个方向只传送确认
2.接收方总是有足够大的缓存空间，发送窗口 = Min(接收窗口rwnd,拥塞窗口cwnd)，所以发送窗口的大小取决于拥塞程度

一个传输轮次:发送一批报文段并收到他们的确认时间 = 一个往返时延RTT

1.先试探网络情况，拥塞窗口/发送窗口指数增加。
2.到了初始的阈值后，发现网络有点堵，为了避免拥塞，拥塞窗口/发送窗口加法增加。
3.出现丢包现象，发现网络堵塞，新阈值 = 当前的拥塞窗口值/2，然后将当前的拥塞窗口值改为初始值1，重复步骤1、2

快重传 + 快恢复

假定
1.数据单方向传送，而另一个方向只传送确认
2.接收方总是有足够大的缓存空间，发送窗口 = Min(接收窗口rwnd,拥塞窗口cwnd)，所以发送窗口的大小取决于拥塞程度

快重传:收到3个重复的确认执行快重传算法
快恢复:在步骤3，将当前窗口值改成新阈值，然后直接加法增大

UDP如何改进实现可靠传输

这个问题是我在面经上看见的，很少考，感觉能说上几句就行了

UDP本身是无法确保数据的可靠传输的，所以不能在传输层进行改进。
实现的方式可以参考HTTP3的QUIC（快速UDP互联网连接）协议，该协议在 UDP 的基础之上增加了一层来保证数据可靠性传输，它提供了数据包重传、拥塞控制以及其他一些 TCP 中存在的特性。

UDP和TCP的区别

UDP与TCP的首部格式
UDP的首部格式

TCP的首部格式

紧急位URG:URG=1，标明此报文段中有紧急数据，是高优先级的数据，应该尽快传送，不用在缓存里排队，配合紧急指针字段使用。
确认位ACK:ACK=1时确认号有效，在连接建立后所有的传输的报文段都必须把ACK置为1
同步位SYN:SYN=1时，表明是一个连接请求/请求接受报文
终止位FIN:FIN=1时表明此报文段发送方数据已发送完，要求释放连接。