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1、TCP协议

1.1 TCP协议格式

1.2 TCP协议原理

2、UDP协议

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在学习TCP/UDP之前先来了解以下整体的通信传输，它是一个向下封装、向上分用的过程：

 这是TCP/IP四层模型，所以要想实现通讯，通过TCP建立和断开连接是至关重要的，图中的每一层都不可或缺。

1、TCP协议

TCP，即传输控制协议，就是对数据的传输进行一个详细的控制。

1.1 TCP协议格式

·源/目的端口号：表示数据从哪个进程来，到哪个进程去；

·6位的标志位：常用的：ACK（确认号是否有效）、SYN（请求建立连接）、FIN（通知对方，本端要关闭）

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1.2 TCP协议原理

TCP对数据传输提供管控机制，主要体现在两个方面：安全和效率。

这些机制和多线程的设计原则类似：保证数据传输安全的前提下，尽可能的提高传输效率。

①确认应答机制（安全机制）

 每一个ACK都带有对应的确认序列号，意思是告诉发送者，我已经收到了哪些数据；下一次你从哪里开始发数据。

②超时重传机制（安全机制）

 主机A发送数据给主机B后，可能因为网络拥堵等原因，数据无法到达主机B，如果主机A在一个特定的时间间隔内未能收到主机B的确认应答，就会重新发送。

 但也可能是因为ACK丢包了，此时间隔一段时间后重新发送也不会导致数据重复，因为它可以利用前面的序列号，很容易就做到去重的效果。

超时时间如何确定？

TCP为了保证无论任何环境下都能比较高性能的通信，因此会动态地计算这个最大超时时间：超时以500ms为一个单位进行控制，之后每次判定超时重发时间都是500ms的整数倍。比如第一次重发前等待500ms，若是仍无响应，下一次重传等待时间就为2*500ms。

③连接管理机制（安全机制）

在正常情况下，TCP都要经过三次握手建立连接，四次挥手断开连接。

                                                             三次握手建立连接

 为什么需要三次握手？

为了防止已经失效的连接请求突然又传送到了服务器端，因而产生错误。

比如：客户端发出的第一个连接请求并没有丢失，而是在某个网络节点长时间滞留了，以至于先前的连接释放以后的某个时间才到达服务器端。本来这是一个早已失效的请求，但是服务器端接收到以后，就会误以为是新的连接请求，于是就向客户端发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要服务器端发出确认，新的连接就建立了，由于此时客户端已经没有了连接请求，因此不会理睬服务器端的确认，也不会向服务器端发送数据，但此时服务器端却以为新的连接已经建立，并且一直等待客户端发来数据。所以没有采用“三次握手”，这种情况下服务器端的很多资源就白白浪费掉了。

类比打电话的过程：

张三：喂？李四你能听到我说话吗？

                                                  李四：喂？我能听到，你能听到我说话吗？

张三：我能听到，我们开始对话吧。

                                                   李四：好！

                                                               四次挥手断开连接

为什么需要四次挥手呢？

TCP是全双工模式（双向通信），当client发出FIN报文段时，只是表示client已经没有数据要发送了，client告诉server，它的数据已经全部发送完毕了；但是，这个时候client还是可以接受来server的数据；当server返回ACK报文段时，表示它已经知道client没有数据发送了，但是server还是可以发送数据到client的；当server也发送了FIN报文段时，这个时候就表示server也没有数据要发送了，就会告诉client，我也没有数据要发送了，如果收到client确认报文段，之后彼此就会愉快的中断这次TCP连接。

与“三次挥手”一样，在客户端与服务器端传输的TCP报文中，双方的确认号Ack和序号Seq的值，都是在彼此Ack和Seq值的基础上进行计算的，这样做保证了TCP报文传输的连贯性，一旦出现某一方发出的TCP报文丢失，便无法继续"挥手"，以此确保了"四次挥手"的顺利完成。

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④滑动窗口机制（效率机制）

上面我们讨论了确认应答机制，对于每发送的一个数据段，都要给一个ACK确认应答，收到ACK后再发送下一个数据段。这样传输就是性能比较差。既然一发一收的性能较低，那我们可以一次发送多条数据，就可以大大提高性能（实际上就是将多个等待时间重叠到一起）

滑动窗口的两个问题：

问题一：数据包已经到达，但是ACK被丢了

这种情况，部分ACK丢了不要紧，因为可以通过后续的ACK进行确认。

问题二：数据包直接丢了

比如：1-1000数据发送正常，而1001-2000的数据包丢了，这时发送端会一直接收到”下一个是1001“的ACK，就像在提醒发送端”我想要的是1001“，如果发送端主机连续三次收到了同样的ACK，它就会重发丢包字段。

⑤流量控制机制（安全）

接收端处理数据的速度是有限的。如果发送端发的太快，导致接收端缓冲区被打满，这个时候发送端继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等一系列连锁反应。

因此TCP根据自己处理能力，来决定发送端的发送速度。接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入TCP首部中的”窗口大小“字段中，通过ACK端通知发送端。

 

⑥拥塞控制机制（安全）

虽然TCP有了滑动窗口这个机制来提高性能，但是因为网络上有很多计算机，可能当前的网络状态就已经比较拥堵。在不清楚网络状况的情况下，贸然发送大量数据，是很有可能雪上加霜的。

TCP引入了慢启动机制：先发送少量的数据，探探路，摸清情况后，再决定按照多大的速度传输数据。

定义一个初始拥塞窗口为1，每次收到ACK，拥塞窗口加1，每次发送数据包的时候，将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口进行对比，取较小的作为实际发送窗口，为了不增长那么快，引入了一个慢启动的阈值，当超过这个阈值的时候，不再按照指数式爆炸增长，而是线性方式增长。当TCP开始启动的时候慢启动阈值等于窗口最大值，在每次超时重传后，慢启动阈值变为原来的一半，同时拥塞窗口置为1。

拥塞控制归根结底就是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方，但又要避免给网络造成太大的压力的一种折中方案。

⑦延迟应答机制（效率机制）

假设接收端缓冲区为1M。一次收到了500K的数据，如果立即应答，返回的窗口大小就是500K；但实际上可能处理端处理速度极快，10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了，如果接收端稍微等一会儿再应答，比如等待200ms再应答，那么这个时候返回的窗口大小就是1M。

⑧捎带应答机制（效率机制）

在延迟应答的基础上，我们发现，很多情况下，客户端服务器在应用层也是”一发一收“。意味着客户端给服务器说了”hello“，服务器端也会给客户端回个”hi“；那么这个时候ACK就可以搭顺风车，和服务器回应信息一起回到客户端。

2、UDP协议

2.1 UDP特点

无连接：知道对端的IP和端口号直接进行传输，不需要建立连接。

不可靠：没有任何安全机制，发送端发出数据报后，如果因为网络故障该段无法发到对方，UDP协议也不会返回任何消息。

面向数据报：原样发送

只有接收缓冲区，没有发送缓冲区。