TCP

TCP简介内容

传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC793[1] 定义。

TCP三次握手建立连接

三次握手过程
TCP连接的建立是通过三次握手来实现的
所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。
三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立TCP连接,并同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP 窗口大小信息。在socket编程中，客户端执行connect()时。将触发三次握手。
第一次握手：
客户端将TCP报文标志位SYN置为1，随机产生一个序号值seq=x，保存在TCP首部的序列号(Sequence Number)字段里，指明客户端打算连接的服务器的端口，并将该数据包发送给服务器端，发送完毕后，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认。

第二次握手：
服务器端收到数据包后由标志位SYN=1表示知道客户端请求建立连接，同时将标志位SYN和ACK都置为1，确认号ack=x+1，随机产生一个序号值seq=y，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务器端进入SYN_RCVD状态。

第三次握手：
客户端收到确认后，检查确认号ack是否为x+1，标志位ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，确认号ack=y+1，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为y+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了
**注意:**我们上面写的ack和ACK，不是同一个概念：

• 小写的ack代表的是头部的确认号Acknowledge number， 缩写ack，是对上一个包的序号进行确认的号，ack=seq+1。
• 大写的ACK，则是我们上面说的TCP首部的标志位，用于标志的TCP包是否对上一个包进行了确认操作，如果确认了，则把ACK标志位设
  置成1。
  解释：
  1：(A) –> [SYN] –> (B)
  A向B发起连接请求，以一个随机数初始化A的seq,这里假设为10000，此时ACK＝0

2：(A) <– [SYN/ACK] <–(B)
B收到A的连接请求后，也以一个随机数初始化B的seq，这里假设为20000，意思是：你的请求我已收到，我这方的数据流就从这个数开始。B的ACK是A的seq加1，即10000＋1＝10001

3：(A) –> [ACK] –> (B)
A收到B的回复后，它的seq是它的上个请求的seq加1，即10000＋1＝100001，意思也是：你的回复我收到了，我这方的数据流就从这个数开始。A此时的ACK是B的seq加1，即20000+1=20001

TCP数据被封装在一个IP数据报中如下图：

现在分析一下TCP协议首部的各项信息：

TCP端口号
TCP的连接是需要四个要素确定唯一一个连接：（源IP，源端口号）+ （目地IP，目的端口号）
所以TCP首部预留了两个16位作为端口号的存储，而IP地址由上一层IP协议负责传递
源端口号和目地端口各占16位两个字节，也就是端口的范围是2^16=65535，另外1024以下是系统保留的，从1024-65535是用户使用的端口范围

TCP的序号和确认号：
32位序号 seq：Sequence number 缩写seq ，TCP通信过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的序号，通过这个来确认发送的数据有序，比如现在序列号为1000，发送了1000个字节，下一个序列号就是2000。

32位确认号 ack（小写）：Acknowledge number 缩写ack，TCP对上一次seq序号做出的确认号，用来响应TCP报文段，给收到的TCP报文段的序号seq加1。

TCP的标志位
每个标志位占一位，因此不是0就是1,1为有效，0为无效
每个TCP段都有一个目的，借助于TCP标志位选项就可以确定每个TCP端的发送目的。
用的最广泛的标志是 SYN，ACK 和 FIN，用于建立连接，确认成功的段传输，最后终止连接。

SYN：同步标志位，用于建立会话连接，同步序列号；
ACK： 确认标志位，对已接收的数据包进行确认；
FIN： 完成标志位，表示我已经没有数据要发送了，即将关闭连接；
PSH：简写为P，推送标志位，表示该数据包被对方接收后应立即交给上层应用，而不在缓冲区排队；
RST：简写为R，重置标志位，用于连接复位、拒绝错误和非法的数据包；
URG：简写为U，紧急标志位，表示数据包的紧急指针域有效，用来保证连接不被阻断，并督促中间设备尽快处理；

数据传输过程

解释：
23：B接收到A发来的seq=40000,ack=70000,size=1514的数据包
24：于是B向A也发一个数据包，告诉A，你的上个包我收到了。A的seq就以它收到的数据包的ack填充，ack是它收到的数据包的seq加上数据包的大小(不包括：以太网协议头=14字节，IP头=20字节，TCP头=20字节)，以证实B发过来的数据全收到了。
25：A在收到B发过来的ack为41460的数据包时，一看到41460，正好是它的上个数据包的seq加上包的大小，就明白，上次发送的数据包已安全到达。于是它再发一个数据包给B。
26：B->A这个正在发送的数据包的seq也以它收到的数据包的ack填充，ack 就以它收到的数据包的seq(70000)加上包的size(54)填充,即ack=70000+54-54(全是头长，没数据项)。通过tcpdump发现确认包ack，确认传输过程中最后字节长度。

TCP四次挥手断开连接

四次挥手即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。

由于TCP连接是全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭。

四次挥手过程的示意图如下：

第一次挥手：
Client端发起挥手请求，并且停止发送数据，向Server端发送标志位是FIN报文段，FIN=1，设置序列号seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，Client端进入FIN_WAIT_1（终止等待1）状态，这表示Client端没有数据要发送给Server端了（TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号）

第二次挥手：
Server端收到了Client端发送的FIN报文段，向Client端返回一个标志位是ACK=1的报文段，ack设为seq加1（u+1），并且带上自己的序列号seq=v，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态，TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。

第三次挥手：
服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。

第四次挥手：
客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-W
（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端依然没有收到回复，才进入CLOSED状态。

服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

常见面试题

【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。所以建立连接只需要三次握手。
但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，“你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。

【问题3】为什么需要三次握手？为什么不能用两次握手进行连接？

答：3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。

如果使用两次握手就建立连接，就会出现出现以下情况：
我们假设client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。
假设采用“两次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。
把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下（第二次握手丢失），将不知道S是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。

TCP连接资源

维持一个tcp连接需要占用哪些资源，下面就总结一下最近学习的内容，不足之处，请读者多多指正。

一个tcp连接需要：1，socket文件描述符；2，IP地址；3，端口；4，内存

TCP连接的四元组：源IP 源端口 目标IP 目标端口，这四元组构成了一个唯一的tcp连接。

对于一台服务器，我们假设只有一个网卡，那么就对应一个唯一的IP地址，而监听端口，我们可以在1024-65535之间任选一个。通过这个监听端口，我们接收来自客户端的连接请求。那么，它的IP、端口已经确定了，下面就是讨论socket文件描述符合内存了。

对于文件描述符fd，每个tcp连接占用一个，那么一个文件描述符下的文件大约占1K字节，而内核对这块也有说明，文件描述符建议最多占用10%的内存，如果是8G内存，那么就相当于800M即80000,80万个文件描述符，当然，这个数据也可以通过linux参数调优进行调节。

而对于内存，tcp连接归根结底需要双方接收和发送数据，那么就需要一个读缓冲区和写缓冲区，这两个buffer在linux下最小为4096字节，可通过cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem和cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem来查看。所以，一个tcp连接最小占用内存为4096+4096 = 8k，那么对于一个8G内存的机器，在不考虑其他限制下，最多支持的并发量为：810241024/8 约等于100万。此数字为纯理论上限数值，在实际中，由于linux kernel对一些资源的限制，加上程序的业务处理，所以，8G内存是很难达到100万连接的，当然，我们也可以通过增加内存的方式增加并发量。

网上也有人做过相关试验，程序接收1024000个连接，共消耗7.5G内存，即每个连接消耗在8K左右。

UDP

UDP简介内容

传输层另一个重要的协议就是用户数据报协议 UDP(User Datagram Protocol)。UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了很少一点的功能，这就是复用和分用的功能以及差错检测的功能。
UDP 的首部格式
用户数据报 UDP 有两个部分组成：首部 + 数据部分。首部部分很简单，只有 8 个字节（如图 5-5），由四个字段组成，每个字段的长度都是两个字节。各字段含义如下：
（1）源端口：源端口号。在需要对方回信时选用。不需要使用时可用 0 填充。
（2）目的端口：目的端口号。这在终点交付报文时必须使用。
（3）长度：UDP 用户数据报的长度，其最小值是 8（即仅有首部部分），单位：字节。
（4）校验和：检测 UDP 用户数据报在传输过程中是否出错。有错就丢弃。

UDP的主要特点是:
(1) UDP 是无连接的。即发送数据之前不需要建立连接（当然，发送数据结束时也没有连接可释放），因此减少了开销和发送数据之前的
时延。
(2) UDP 使用尽最大努力交付。即不保证可靠交付，因此主机不需要维护复杂的连接状态表（这里面有许多参数）。

(3) **UDP 是面向报文的。**发送方的 UDP 对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付 IP 层。UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也不分拆，而是保留这些报文的边界。这就是说，应用层交给 UDP 多长的报文，UDP 就照样发送，即一次发送一个报文，如图 5-4 所示。在接收方的 UDP，对 IP 层交上来的 UDP 用户数据报，在去除首部后就原封不动地交付上层的应用进程。也就是说，UDP 一次交付一个完整的报文。因此，应用程序必须选择合适大小的报文。若报文太长，UDP 把它交给 IP 层后，IP 层在传送时可能要进行分片处理，这会降低 IP 层的效率。反之，若报文太短，UDP 把它交给 IP 层后，会使 IP 数据报的首部的相对长度太大，这也降低了 IP 层的效率。

（4）UDP 没有拥塞控制。因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的。很多的实时应用（如：IP电 话、实时视频会议等）要求源主机以恒定的速率发送数据，并且允许在网络出现拥塞时丢失一部分数据，但却不允许数据有太大的时延。UDP 协议正好适合这种要求。
（5）UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
（6）UDP的首部开销小，只有 8 个字节，比 TCP 的 20 个字节的首部要短。

小结TCP与UDP的区别：

1.基于连接与无连接；
2.对系统资源的要求（TCP较多，UDP少）；
3.UDP程序结构较简单；
4.流模式与数据报模式 ；
5.TCP保证数据正确性，UDP可能丢包，TCP保证数据顺序，UDP不保证。