目录

设置协议

传输层

传输层

UDP协议

UDP的首部格式

UDP的传输特点

        TCP协议

TCP报文段的首部格式

确认应答（可靠性）

超时重传（可靠性）

连接管理（可靠性）

滑动窗口（效率机制）

流量控制（可靠性）

拥塞控制（可靠性）

 延时应答（效率机制）

捎带应答（效率机制）

 粘包问题

TCP的异常解决

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设置协议

有几个协议的模板，方便我们更好的设计应用层的协议

XML

基本格式：<开始标签名>内容

封装日期：2022-07-30，大概就是2022-07-30

可读性好，但是空间浪费大，运行效率不高

json

基本格式{键:值,键:值}

一个{}内可以有多个键值对，键和值之间使用冒号分隔，多个键值对使用逗号分隔，要求键是字符串类型

{USERID:1234,MANE:李四}

当使用json表示时，可能造成key的重复 

{ {USERID:1234,MANE:李四},{USERID:1235,MANE:王五}}

protobuffer

一种二进制的数据，不再记录key值，而是提供一些符号和顺序来描述每一个二进制数据，同时通过一个IDL文件辅助记录

可能就是\1234\李四\1235\王五，将这些数据存储为二进制进行通信

传输层

传输层

传输层为它上面的应用层提供服务

传输层为应用进程之间提供通信（端口号）

传输层的两个协议：

用户数据报协议（UDP)

传输控制协议(TCP）

UDP协议

UDP在传输数据之前不需要建立连接，接收端的传输层接收到UDP报文之后，不需要给出任何确认，虽然UDP是不可靠传输，但是在某些情境下，UDP却是一种最有效的方式

UDP的首部格式

源端口号：本机端口号，在对方回信时使用，不使用时可用全0

目的端口号：接收端端口号

数据长度：UDP数据报的长度，也就是（UDP首部+应用层数据）的长度

检验和:检验整个UDP数据报是否出错

UDP的传输特点

1、无连接

2、不可靠：不存在任何的安全机制，数据发送失败是不会有任何提示的

3、面向数据报：应用层交给UDP多长的报文，UDP原样发送，不会拆分和合并

4、存在接收缓冲区

UDP没有真正意义上的发送缓冲区，数据直接就给内核

UDP存在接收缓冲区，但是不能保证接收顺序和发送顺序一致；如果接收缓冲区满了，以后的数据将被丢弃

5、全双工：可以读也可以写

6、大小受限：因为UDP的数据长度2字节，也就是64kb，当传输数据过大时，就会导致数据丢失

TCP协议

TCP是面向连接的协议，传输数据之前要建立连接，支持可靠传输，接收端的传输层接收到TCP报文之后，需要给出确认

TCP和UDP相比，要支持可靠传输和面向连接，就会增加开销

TCP会存在发送缓存和接收缓存

TCP报文段的首部格式

 TCP首部包括两个部分:20字节的固定首部和选项及填充字段

选项：长度可变，最长可达40字节

填充：TCP希望首部是4字节的整数倍，用于在添加选项后补充长度

源端口和目的端口：都是两个字节

序号：占有4个字节。在一个TCP连接中的字节流的每一个字节都会按照顺序编号，这里的序号表示这个报文段发送数据的第一个字节的序号

确认号：占有4个字节，期望收到对方下一个报文段的第一个字节的序号，如果确认号是N，表示前N-1个数据传送成功

数据偏移：表示TCP首部的长度，也即是TCP报文数据部分到TCP数据报起始部分的距离；占4位,基本单位是4个字节，因为4个二进制位的最大数字是15，而基本单位是4字节，也即是60字节，也是TCP首部的最大长度

保留：占6位，保留为今后所用

窗口：占2字节，窗口是本报文段的接收窗口，窗口值告诉发送方，从本报文段确认号算起，可以接受的字节数，发送方就可以根据这个值，安排发送数据的多少

例如：B发送了一个应答报文，确认号是701，窗口字段是1000，就是告诉发送方，我可以从701号字节算起，最多接收1000个字节的数据，发送方就可以根据这个数据，安排下一个报文的数据长度

校验和：占有2字节；检验报文是否出错

紧急指针：两个字节；和URG搭配使用，指出本报文段的紧急数据的字节数

六个控制位

1. 紧急URG：当URG=1，表示紧急指针字段有效；告诉系统此报文段中有紧急数据，应该优先传输
2. 确认ACK：当ACK=1，表示确认字段号有效；也就是接收端接收到了发送端的数据，并发出应答报文
3. 推送PSH：当PSH=1，表示接收方应当立刻将数据提交给应用进程，而不是仍然在接收缓存里存放
4. 复位RST：当RST=1，表示TCP连接出现错误，应该放弃当前连接，重新建立新的连接
5. 同步SYN：当AYN=1，表示TCP是请求连接报文(ACK=0）或者连接接收报文（ACK=1)
6. 终止FIN：当FIN=1，表示报文数据传输结束，请求关闭连接

确认应答（可靠性）

（1）无差错情况

A发送M1后暂停发送，等待B的确认。B收到了M1就向A发送确认，A收到了M1的确认之后，发送M2

 （2）有差错情况

有差错情况就有两种原因：1、A给B发送的M1，B确实没收到2、B收到了A发送的M1，也发出来响应，但是A没收到B做出的回应

对于第一种，A就可以重新发送数据，对于第二种，B收到了数据，A可以继续发送M2，但是这两个情况发送方无法分别，TCP只能做好最坏的打算，也就是第一种情况，就需要重新发送数据，称为超时重传

超时重传（可靠性）

在发送每一个数据时，都会设置一个超时计时器；只要A在超时计时器到期之前，收到了B的确认，就撤销超时计时器；A在超时计时器到期之后，仍收不到B的确认，就会重新发送该数据

这里要注意三点：

1、A发送完一个数据M1，就要暂时保留已经发送数据M1的副本，只有收到B的确认才可以删除副本，否则超时重传时就找不到M1内容了

2、分组和确认分组是要进行编号的，否则就无法知道是哪一个数据没收到确认

3、超时计时器的时长设置要合理

但是这样处理还有一个问题：

1、A给B发送的M1，B确实没收到2、B收到了A发送的M1，也发出来了响应，但是A没收到B做出的回应；这两个情况都进行超时重传，万一是情况2，就会将信息重新发出一次，B就会收到2次操作，这是不合理的

我们就要进行去重操作：

TCP会存在发送缓存和接收缓存

发送缓存：存放准备发送的数据和已经发送但是没有收到确定的数据

接收方收到的数据会放到操作系统内核的“接收缓冲区”中，收到新的数据，TCP会根据序号，检查这个数据是否已经存在于缓冲区中，如果存在就直接丢弃

连接管理（可靠性）

连接建立：三次握手 

连接断开：四次挥手

三次握手：客户端主动发起

三次握手本质是四次，只不过两个操作可以打包到一起

 三次握手的意义：检测当前网络是否可以进行传输

就类似于下方的打电话：

A给B发连接请求：请求验证A的发送能力和B的接收能力

B给A发送响应：证明A的发送能力和B的接收能力都是好的，现在验证B的发送能力和A的接收能力

A给B做出响应：证明了B的发送能力和A的接受能力是好的

这三个过程，就可以证明客户端和服务器是可以正常进行通信的

四次挥手：客户端主动发起也可以是服务器主动发起

三次握手，让连接建立成功，就会在内存中占有空间，存放相关信息

断开连接：

滑动窗口（效率机制）

提高速率的方式，同时传输一大批数据，同时接收ACK

以上讲的一传一应答的效率过慢：数据的往返时间越长，通信的效率就越低。

为解决这个问题，TCP 引入了滑动窗口这个概念。

有了窗口，就可以指定窗口大小，窗口大小就是指无需等待确认应答，而可以继续发送数据的最大值。

假如窗口大小是3，第一次就可以直接传入3个TCP的数据，只要收到一个ACK，就可以传入下一个数据

1、ACK丢失

 2、SYN丢失

流量控制（可靠性）

流量控制：让发送方慢一点，要让接收方来得及接收

在通信过程中，接收方根据缓存区的大小，通过报文段的窗口字段通知对方，以此来动态协调发送方缓存区的大小，从而协调控制发送方的发送速率

窗口字段：相当于告诉发送端，接收端缓冲区可继续容纳的大小；虽然这个字段只有64k的大小，但是TCP选项可以设置窗口扩大因子M，可以将实际大小左移M位

当窗口字段为0：发送端将无法继续发送数据，接收端将不断将缓冲区的数据提交给应用进程；但是发送端还是需要知道窗口大小的，发送端会周期性的发送探测报文，不会传输实际的数据，只是为了刺激发送方的ACK，得到窗口大小，只要窗口大小不是0，就可以继续发送数据了

拥塞控制（可靠性）

拥塞控制宏观把控整个链路的情况；拥塞控制阻止过多的数据注入网络中，从而让网络中的路由器或者链路不至于过载

拥塞控制涉及到了所有的主机，所有的路由器，以及降低网络传输的所有因素；而流量控制是端到端的（接收端和发送端），动态调整发送方的传输速率

发送窗口=min（接收窗口，拥塞窗口）

接收窗口：接收方根据自己缓冲区可存储数据的大小，将数据交给发送方，发送方根据这个值调节发送缓冲区的大小

拥塞窗口：发送方根据当前网络的阻塞程度而设置的窗口值，反映当前网络可以通信的数据量

发送方如何知道当前网络阻塞了呢？

一旦网络发送了阻塞，数据过多，路由器就会丢包，放弃一部分数据；那么接收方就会收不到某些数据，从而发送方一直收不到这些数据的应答报文；会导致超时重传

而因为传输中间出现差错的可能性太小（远小于1%),因此：网络拥塞的依据就是超时

慢开始和拥塞避免

 门限值：当门限值数据在16时，没丢包，但是如果继续指数增长，就可能造成丢包；所以在16之后，呈现线性增长，期待找到一个合适的窗口大小：在不丢包的前提下，尽可能运输的最大数据量

在②超时之后，立马降到1的原因：网络环境是复杂多变的，如果只是从24降低到23，难保23不会造成数据丢包，还不如降到1，虽然传输数据少，但是稳妥，减少对网络的影响

快重传和快恢复

在慢开始和拥塞避免中，如果只是数据丢失，网络并没有发送拥堵，接收方那么就会发出3个重复的ACK，这时仍然会导致超时重传，就会将窗口降为1，开始新一轮的慢开始；但是网络并没有拥堵，就会降低速率

快重传和快恢复：接收到3个重复的ACK，就会在超时计时器到来之前，执行快重传算法，重新发送数据，这样就不会导致超时，也就不会认为产生了网络阻塞

 延时应答（效率机制）

举一个例子：如果接收缓冲区大小1000k，接受了500k的数据，如果立即返回ACK，我返回的窗口大小就是500k，意味着发送方还可以给我发送500k的数据；但是这期间接收方如果把数据消耗完了，发送的500k数据就有点少了；延时应答就是指稍稍等一会在应答，就可以返回比500k大的数字，这时发送缓冲区就可以安排发送更多的数据

捎带应答（效率机制）

因为延时应答的存在，导致以下结果

 粘包问题

TCP是面向字节流的，主机A发送两个TCP，分别为aaa和bbb，主机B对数据进行解析，应用层得到的数据是字节，也就是aaabbb，那么B的应用层是如何将数据分割开来的

TCP没有长度字段，B的应用层是如何将数据分割开来的：应用层要给包之间加边界，用于分割数据

UDP：UDP有长度字段，同时，UDP是面向数据报的，数据是按照一个一个的数据报进行传输的，不会分隔不开

TCP的异常解决

1、突然关闭进程:TCP是通过Socket来进行通信的，Socket本质是进程打开的一个文件，而进程的PCB里会存在一张文件描述符表，用于管理文件

关闭进程，那么PCB就不在了，文件描述符表也就没了，Socket也就没了，相当于自动关闭（用户代码调用close(),四次挥手）

2、电脑关机

电脑正常关机，操作系统会关闭所有进程，进入第一种情况

3、网线断开\电脑突然断电

操作系统反应不过来，不会关闭进程

如果服务器断电：客户端发送的数据收不到ACK，那么就会尝试重传，重传几次失败后就会尝试重新连接，连接失败就会放弃连接

如果客户端断电：服务器接收不到客户端的数据，但是服务器不知道客户端是暂时不传消息，还是出现了故障；服务器就会周期性发送探测报文，用于触发客户端的ACK，收不到ACK，那么就会尝试重传探测报文，重传几次失败后就会尝试重新连接，连接失败就会放弃连接（设置保活计时器，服务器每收到一次客户端的消息，就重置保活计数器，时长2小时，保活计时器到期之后，服务器每隔75s发送探测报文，连发十次之后仍无客户端反应，就认为客户端故障）