UDP和TCP详解

1. UDP

1.1 UDP协议段格式

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16位UDP长度, 表示整个数据报(UDP首部+UDP数据)的最大长度, 即数据报最大大小为2^16byte = 64KB
如果校验和出错, 就会直接丢弃

1.2 UDP特点

1.2.1 无连接不可靠

无连接
知道对端的IP和端口号就直接进行传输, 不需要建立连接
不可靠
没有确认机制, 没有重传机制; 如果因为网络故障该段无法发到对方, UDP协议层也不会给应用层
返回任何错误信息
UDP不保证数据的可靠, 有序到达, 因此有可能乱序, 需要在应用层进行包序管理

1.2.2 面向数据报

应用层交给UDP多长的报文, UDP原样发送, 既不会拆分, 也不会合并, 并且最大长度64KB
如果我们需要传输的数据超过64K, 就需要在应用层手动的分包, 多次发送, 并在接收端手动拼装

1.3 UDP的缓冲区

UDP没有真正意义上的发送缓冲区. 调用sendto会直接交给内核, 由内核将数据传给网络层协议进行后续的传输动作;
UDP具有接收缓冲区. 但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报的顺序和发送UDP报的顺序一致; 如果缓冲区满了, 再到达的UDP数据就会被丢弃;
UDP的socket既能读, 也能写, 这个概念叫做 全双工

1.4 基于UDP的知名协议

DHCP: 动态主机配置协议
DNS: 域名解析协议

2. TCP

2.1 TCP协议段格式

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源/目的端口号: 表示数据是从哪个进程来, 到哪个进程去;
32位序号/32位确认号: 后面详细讲;
4位TCP报头长度: 表示该TCP头部有多少个32位bit(有多少个4字节); 所以TCP头部最大长度是15 * 4 = 60字节
6位标志位:
- URG: 紧急指针是否有效
- ACK: 确认号是否有效
- PSH: 提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
- RST: 对方要求重新建立连接; 我们把携带RST标识的称为复位报文段
- SYN: 请求建立连接; 我们把携带SYN标识的称为同步报文段
- FIN: 通知对方, 本端要关闭了, 我们称携带FIN标识的为结束报文段
16位窗口大小: 表示从确认序号开始，本报文的接受方可以接收的字节数(接收方准备的缓冲区大小)，因为缓存区的有限，防止对方发送的数据过快，导致数据丢失.实际上, TCP首部40字节选项中还包含了一个窗口扩大因子M, 实际窗口大小是窗口字段的值左移 M 位;
16位校验和: 发送端填充, CRC校验. 接收端校验不通过, 则认为数据有问题. 此处的检验和不光包含TCP首部, 也包含TCP数据部分.
16位紧急指针: 标识哪部分数据是紧急数据;
40字节头部选项: 暂时忽略;

2.2 TCP数据传输格式

TCP发送数据，是以字节流的形式发送。它不关心数据是什么类型，但是为了确保数据正确性，重发控制和重复控制等, 这些功能都以序列号来实现. 序列号初始值并非为0，而是由客户端建立连接时候，随机产生的
TCP的数据长度并未写入TCP首部。实际通信中求得TCP包的长度的计算公式是：IP首部中的数据包长度 – IP首部长度TCP首部长度
TCP将每个字节的数据都进行了编号. 即为序列号. 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

2.3 确认应答机制

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2.4 超时传输机制

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那么, 如果超时的时间如何确定?

最理想的情况下, 找到一个最小的时间, 保证 “确认应答一定能在这个时间内返回”.
但是这个时间的长短, 随着网络环境的不同, 是有差异的.
如果超时时间设的太长, 会影响整体的重传效率;
如果超时时间设的太短, 有可能会频繁发送重复的包;

TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信, 因此会动态计算这个最大超时时间.

Linux中(BSD Unix和Windows也是如此), 超时以500ms为一个单位进行控制, 每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍.
如果重发一次之后, 仍然得不到应答, 等待 2*500ms 后再进行重传.
如果仍然得不到应答, 等待 4*500ms 进行重传. 依次类推, 以指数形式递增.
累计到一定的重传次数, TCP认为网络或者对端主机出现异常, 强制关闭连接

2.5 应答管理机制

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服务端状态转化:

[CLOSED -> LISTEN] 服务器端调用listen后进入LISTEN状态, 等待客户端连接;
[LISTEN -> SYN_RCVD] 一旦监听到连接请求(同步报文段), 就将该连接放入内核等待队列中, 并向客户端发送SYN确认报文.
[SYN_RCVD -> ESTABLISHED] 服务端一旦收到客户端的确认报文, 就进入ESTABLISHED状态, 可以进行读写数据了.
[ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT] 当客户端主动关闭连接(调用close), 服务器会收到结束报文段, 服务器
返回确认报文段并进入CLOSE_WAIT;
[CLOSE_WAIT -> LAST_ACK] 进入CLOSE_WAIT后说明服务器准备关闭连接(需要处理完之前的数据); 当服务器真正调用close关闭连接时, 会向客户端发送FIN, 此时服务器进入LAST_ACK状态, 等待最后一个ACK到来(这个ACK是客户端确认收到了FIN)
[LAST_ACK -> CLOSED] 服务器收到了对FIN的ACK, 彻底关闭连接

客户端状态转化:

[CLOSED -> SYN_SENT] 客户端调用connect, 发送同步报文段;
[SYN_SENT -> ESTABLISHED] connect调用成功, 则进入ESTABLISHED状态, 开始读写数据;
[ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1] 客户端主动调用close时, 向服务器发送结束报文段, 同时进入FIN_WAIT_1;
[FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2] 客户端收到服务器对结束报文段的确认, 则进入FIN_WAIT_2, 开始等待服务器的结束报文段;
[FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT] 客户端收到服务器发来的结束报文段, 进入TIME_WAIT, 并发出LAST_ACK;
[TIME_WAIT -> CLOSED] 客户端要等待一个2MSL(Max Segment Life, 报文最大生存时间)的时间, 才会进入CLOSED状态

为什么是三次握手

如果client发送的连接请求由于网络延时到client连接释放后才到达server，这是早已失效的报文，如果只进行二次握手，服务器就认为有新连接请求，但是client并没有建立连接，不会给server发送数据，但是server为了这个连接，会一直有资源消耗。

为什么是四次挥手
双方关闭连接要经过双方都同意。
（1）为了保证客户端发送的最后一个ACK报文段能够到达服务器。即最后一个确认报文可能丢失，服务器会超时重传，然后服务器发送FIN请求关闭连接，客户端发送ACK确认。一个来回是两个报文生命周期。
如果没有等待时间，发送完确认报文段就立即释放连接的话，服务器就无法重传，因此也就收不到确认，就无法按步骤进入CLOSE状态，即必须收到确认才能close。
（2）防止已经失效的连接请求报文出现在连接中。经过2MSL，在这个连续持续的时间内，产生的所有报文段就可以都从网络消失。

2.6 TIME_WAIT

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TCP协议规定,主动关闭连接的一方要处于TIME_ WAIT状态, 等待两个MSL (maximum segment lifetime)的时间后才能回到CLOSED状态.
- MSL是TCP报文的最大生存时间, 因此TIME_WAIT持续存在2MSL的话
  就能保证在两个传输方向上的尚未被接收或迟到的报文段都已经消失(否则服务器立刻重启, 可能会收到来自上一个进程的迟到的数据, 但是这种数据很可能是错误的);
- 同时也是在理论上保证最后一个报文可靠到达(假设最后一个ACK丢失, 那么服务器会再重发一个FIN. 这时虽然客户端的进程不在了, 但是TCP连接还在, 仍然可以重发LAST_ACK);
我们使用Ctrl-C终止server, 所以server是主动关闭连接的一方, 在TIME_WAIT期间仍然不能再次监听同样的server端口;
MSL在RFC1122中规定为两分钟,但是各操作系统的实现不同, 在Centos7上默认配置的值是60s;可以通过 cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 查看msl的值;

2.6.1 TIME_WAIT改进

在server的TCP连接没有完全断开之前不允许重新监听, 某些情况下可能是不合理的

服务器需要处理非常大量的客户端的连接(每个连接的生存时间可能很短, 但是每秒都有很大数量的客户端来请求).
这个时候如果由服务器端主动关闭连接(比如某些客户端不活跃, 就需要被服务器端主动清理掉), 就会产生大量TIME_WAIT连接.
由于我们的请求量很大, 就可能导致TIME_WAIT的连接数很多, 每个连接都会占用一个通信五元组(源ip,源端口, 目的ip, 目的端口, 协议). 其中服务器的ip和端口和协议是固定的. 如果新来的客户端连接的ip和端口号和TIME_WAIT占用的链接重复了, 就会出现问题
使用setsockopt()设置socket描述符的选项SO_REUSEADDR为1, 表示允许创建端口号相同但IP地址不同的多个socket描述符

2.7 CLOSE_WAIT

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在服务器程序中若将 new_sock.Close(); 这个代码去掉
们编译运行服务器. 启动客户端链接, 查看 TCP 状态, 客户端服务器都为ESTABLELISHED 状态, 没有问题.然后我们关闭客户端程序, 观察 TCP 状态
此时服务器进入了 CLOSE_WAIT 状态, 结合我们四次挥手的流程图, 可以认为四次挥手没有正确完成.

对于服务器上出现大量的 CLOSE_WAIT 状态, 原因就是服务器没有正确的关闭 socket, 导致四次挥手没有正确完成. 这是一个 BUG. 只需要加上对应的 close 即可解决问题

2.7 滑动窗口

对每一个发送的数据段, 都要给一个ACK确认应答. 收到ACK后再发送下一个数据段.
这样做有一个比较大的缺点, 就是性能较差. 尤其是数据往返的时间较长的时候.既然这样一发一收的方式性能较低, 那么我们一次发送多条数据, 就可以大大的提高性能(其实是将多个段的等待时间重叠在一起了)
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窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值. 上图的窗口大小就是4000个字节(四个段).
发送前四个段的时候, 不需要等待任何ACK, 直接发送
收到第一个ACK后, 滑动窗口向后移动, 继续发送第五个段的数据; 依次类推;
操作系统内核为了维护这个滑动窗口, 需要开辟发送缓冲区来记录当前还有哪些数据没有应答; 只有确认应答过的数据, 才能从缓冲区删掉;
窗口越大, 则网络的吞吐率就越高;

那么如果出现了丢包, 如何进行重传? 这里分两种情况讨论.

情况一: 数据包已经抵达, ACK被丢了—滑动窗口处理重传

这种情况下, 部分ACK丢了并不要紧, 因为可以通过后续的ACK进行确认:
1-1000字节数据已发送到主机B，但是1-1000的数据确认应答丢失。在收到确认序号ACK = 2001时，就可以把客户端1-1000的数据从缓冲中删除了，因为主机B已发送确认序号ACK = 2001，说明1-1000数据已经发送成功了
情况二: 数据包就直接丢了—高速重发控制
当某一段报文段丢失之后, 发送端会一直收到 1001 这样的ACK, 就像是在提醒发送端 "我想要的是 1001"一样;
如果发送端主机连续三次收到了同样一个 “1001” 这样的应答, 就会将对应的数据 1001 - 2000 重新发送;
这个时候接收端收到了 1001 之后, 再次返回的ACK就是7001了(因为2001 - 7000)接收端其实之前就已经收到了, 被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中;

2.8 流量控制

接收端处理数据的速度是有限的. 如果发送端发的太快, 导致接收端的缓冲区被打满, 这个时候如果发送端继续发送,就会造成丢包, 继而引起丢包重传等等一系列连锁反应.
因此TCP支持根据接收端的处理能力, 来决定发送端的发送速度. 这个机制就叫做流量控制(Flow Control);

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, 通过ACK端通知发送端;
窗口大小字段越大, 说明网络的吞吐量越高;
接收端一旦发现自己的缓冲区快满了, 就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端;
发送端接受到这个窗口之后, 就会减慢自己的发送速度;
如果接收端缓冲区满了, 就会将窗口置为0; 这时发送方不再发送数据, 但是需要定期发送一个窗口探测数据段, 使接收端把窗口大小告诉发送端

接收端如何把窗口大小告诉发送端呢? 回忆我们的TCP首部中, 有一个16位窗口字段, 就是存放了窗口大小信息;
那么问题来了, 16位数字最大表示65535, 那么TCP窗口最大就是65535字节么?
实际上, TCP首部40字节选项中还包含了一个窗口扩大因子M, 实际窗口大小是窗口字段的值左移 M 位;

2.9 拥塞控制

虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器, 能够高效可靠的发送大量的数据. 但是如果在刚开始阶段就发送大量的数据, 仍然可能引发问题.
因为网络上有很多的计算机, 可能当前的网络状态就已经比较拥堵. 在不清楚当前网络状态下, 贸然发送大量的数据,是很有可能引起雪上加霜的.
TCP引入 慢启动 机制, 先发少量的数据, 探探路, 摸清当前的网络拥堵状态, 再决定按照多大的速度传输数据

像左上这样的拥塞窗口增长速度, 是指数级别的. “慢启动” 只是指初使时慢, 但是增长速度非常快.
为了不增长的那么快, 因此不能使拥塞窗口单纯的加倍.此处引入一个叫做慢启动的阈值
当拥塞窗口超过这个阈值的时候, 不再按照指数方式增长, 而是按照线性方式增长

少量的丢包, 我们仅仅是触发超时重传; 大量的丢包, 我们就认为网络拥塞;
当TCP通信开始后, 网络吞吐量会逐渐上升; 随着网络发生拥堵, 吞吐量会立刻下降;
拥塞控制, 归根结底是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方, 但是又要避免给网络造成太大压力的折中方案

2.10 延迟应答

如果接收数据的主机立刻返回ACK应答, 这时候返回的窗口可能比较小.

假设接收端缓冲区为1M. 一次收到了500K的数据; 如果立刻应答, 返回的窗口就是500K;
但实际上可能处理端处理的速度很快, 10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了;
在这种情况下, 接收端处理还远没有达到自己的极限, 即使窗口再放大一些, 也能处理过来;
如果接收端稍微等一会再应答, 比如等待200ms再应答, 那么这个时候返回的窗口大小就是1M;

一定要记得, 窗口越大, 网络吞吐量就越大, 传输效率就越高. 我们的目标是在保证网络不拥塞的情况下尽量提高传输效率
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那么所有的包都可以延迟应答么? 肯定也不是;

数量限制: 每隔N个包就应答一次;
时间限制: 超过最大延迟时间就应答一次;
具体的数量和超时时间, 依操作系统不同也有差异; 一般N取2, 超时时间取200ms

2.11 捎带应答

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” 的. 意味着客户端给服务器说了 “How are you”, 服务器也会给客户端回一个 “Fine, thank you”;

那么这个时候ACK就可以搭顺风车, 和服务器回应的 “Fine, thank you” 一起回给客户端

2.12 面向字节流(MSS)

创建一个TCP的socket, 同时在内核中创建一个发送缓冲区和一个接收缓冲区;

调用write时, 数据会先写入发送缓冲区中;
如果发送的字节数太长, 会被拆分成多个TCP的数据包发出;
如果发送的字节数太短, 就会先在缓冲区里等待, 等到缓冲区长度差不多了, 或者其他合适的时机发送出去;
接收数据的时候, 数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区;
然后应用程序可以调用read从接收缓冲区拿数据;
另一方面, TCP的一个连接, 既有发送缓冲区, 也有接收缓冲区, 那么对于这一个连接, 既可以读数据, 也可以写数据. 这个概念叫做全双工

由于缓冲区的存在, TCP程序的读和写不需要一一匹配, 例如:

写100个字节数据时, 可以调用一次write写100个字节, 也可以调用100次write, 每次写一个字节;
读100个字节数据时, 也完全不需要考虑写的时候是怎么写的, 既可以一次read 100个字节, 也可以一次read一个字节, 重复100次;

在TCP报文段的首部中有一个“窗口大小”的字段，该字段占16bit=2byte。该字段主要用于TCP滑动窗口进行流量控制，很多人喜欢把TCP的MSS和“窗口大小”字段混淆，在这了做一个区分说明

MSS是TCP报文段中数据部分的最大长度，如果上层交付下来的数据超过MSS, 链路层就要对交付下来的数据进行分段, 得不偿失有一定成本(链路层帧数数据部分大小为1500byte, 你不商量大小底层就会自己封装)。在TCP连接的第一次、第二次握手中会分别告知对方MSS，从而起到通信双方协商MSS的效果。

TCP报文段首部中，“窗口大小”字段通常用于告知对方自己的能够接受的数据量大小。窗口本质就是一个缓冲区buffer，该字段的值用于告知对方自己剩余的可用缓冲区大小。在每一个TCP报文段中都会通过“窗口”字段告知对方自己的所能接收数据的大小。窗口大小通常用滑动窗口流量控制。

再举个例子，MTU 的大小就好像一座桥的承重吨位，而桥就相当于网卡；

事先给定 MSS，可以防止因为你货车载货过多，要进行分批运输；

如果不指定 MSS，一旦你货车超载，吨位超过桥的承重能力，你就得把货拆分成几批运过去，运过去之后你还得组装，这是得不偿失的；

文章参考: 点我看MSS的作用

2.13 粘包问题

首先要明确, 粘包问题中的 “包” , 是指的应用层的数据包.

在TCP的协议头中, 没有如同UDP一样的 “报文长度” 这样的字段, 但是有一个序号这样的字段.
站在传输层的角度, TCP是一个一个报文过来的. 按照序号排好序放在缓冲区中.
站在应用层的角度, 看到的只是一串连续的字节数据.
那么应用程序看到了这么一连串的字节数据, 就不知道从哪个部分开始到哪个部分, 是一个完整的应用层数据包.

那么如何避免粘包问题呢? 归根结底就是一句话, 明确两个包之间的边界.

对于定长的包, 保证每次都按固定大小读取即可; 例如上面的Request结构, 是固定大小的, 那么就从缓冲区从头开始按sizeof(Request)依次读取即可;
对于变长的包, 可以在包头的位置, 约定一个包总长度的字段, 从而就知道了包的结束位置;
对于变长的包, 还可以在包和包之间使用明确的分隔符(应用层协议, 是程序猿自己来定的, 只要保证分隔符不和正文冲突即可);

思考: 对于UDP协议来说, 是否也存在 “粘包问题” 呢?