UDP系列文章目录
第一章 UDP的可靠性传输-理论篇（一）
第二章 UDP的可靠性传输-理论篇（二）
文章目录
- UDP系列文章目录
- 前言
- 1.TCP 和UDP格式对比
- 2.UDP分片原理
- 3.UDP 传输层应该注意问题
- 4.MTU
- 5.UDP 分片机制设计重点
- 一、ARQ协议
- 什么是滑动窗口
- 模式
- 1.停等式(stop and wait)
- 2.回退 n 帧 (go back n)ARQ 1
- 回退n帧详解
- 3. 选择重传 (Selective repeat)
- 选择重传详解
- 二、网络中如何做到可靠性传输
- 总结
前言
传输层协议TCP协议和UDP协议，协议的特点分析如下
TCP协议（Transmission Control Protocol,传输控制协议）为应用层提供可靠的、面向连接的和基于流(stream)的服务。使用超时重传、序
号、数据确认等方式来确保数据包被正确发送至目的地
UDP(User Datagram Protocaol 用户数据包协议) 是无连接的面向消息的数据传输协议。
缺点：
1.数据包容易丢失； 数据确认，超时重传机制；
2.数据包无序； 重排机制
必须制定上层协议，包括 流控机制、超时机制、重排机制、重传机制
| 选项 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 是否连接 | 无连接 | 面向连接 |
| 是否可靠 | 不可靠传输，不使用流量控制和拥塞控制 | 可靠传输，使用流量控制和拥塞控制 |
| 连接对象个数 | 支持一对一，一对多，多对一和多对多交互通信 | 只能是一对一通信 |
传输方式 | 面向报文 | 面向字节流 |
| 首部开销 | 首部开销小，仅8 字节 | 首部最小20 字节，最大 60 字节 |
| 适用场景 | 适用于实时应用（IP 电话、视频会议、直播等）游戏行业、物联网行业 | 适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输 |
1.TCP 和UDP格式对比
网络特点： 在网络中，我们认为传输是不可靠的，而在很多场景下我们需要的是可靠的数据，
所谓的可靠，指的是数据能够正常收到，且能够顺序收到，于是就有了 ARQ 协议，TCP 之所以可靠就是基于此。
UDP 使用场景
1.传输效率： 传输实时性比较高
2. 资源考虑 消耗资源比较少 (DNS)
UDP 没有粘包的情况，UDP 用户数据报文，在收取报文的时候一次性收取一个完整的用户数据报，否则如果收取部分报文，剩下的报文就丢弃了。
2.UDP分片原理
UDP分片原理
- 对应用层的数据进行分片，以满足MTU传输的要求
在发送端给分片编号，在接收端重组分片，解决乱序数据包重组的问题
3.UDP 传输层应该注意问题
1.数据包确认机制； 类比TCP的ack 机制；
2.数据包重发机制； tcp 也有重传机制
3.不发送大于路径 MTU的数据包
4.处理数据包重排 IP报文传输不一定按需到达
4.MTU
MTU：以太网(Ethernet) 数据帧的长度必须在46-1500字节之间,这是由以太网的物理特性决定的. 这个1500字节被称为链路层的MTU(最大传输单元)。
单个UDP传输的最大内容 1472(1500-20-8, 如果有可选字节>28)字节，但由于不同的网络中转设备设置的MTU值并不相同。Internet上的标准MTU值为576字节，建议在进行Internet的UDP编程时.最好将UDP的数据长度控制在548字节(576-20-8)以内（腾讯游戏 MTU 500+）。
推荐的MTU 设计为 500+字节，应用逻辑保证数据包大小不超过 MTU，避免拆包。
局域网：1400 公网：500+（腾讯游戏推荐）, 音视频： 140
5.UDP 分片机制设计重点
一、ARQ协议
ARQ协议 (Automatic Repeat reQuest ))，即 自动重传请求 ，是传输层的错误纠正协议之一，它通过使用确认和超时两个机制，在不可靠的网络上实现可靠的信息传输。
什么是滑动窗口
发送方和接收方都会维护一个数据帧的序列，这个序列被称作窗口。 发送方的窗口大小由接收方确定 ，目的在于控制发送速度，以免接收方的缓存不够大，而导致溢出，同时控制流量也可以避免网络拥塞。协议中规定，对于窗口内未经确认的分组需要重传。
模式
ARQ协议 主要有 3 种模式：
1.即停等式(stop and wait)ARQ
2.回退n 帧 (go back n)ARQ
3.选择性重传(selective repeat)ARQ
1.停等式(stop and wait)
停等协议的工作原理如下：
- 发送方对接收方发送数据包，然后等待接收方回复 ACK 并且开始计时。
- 在等待过程中，发送方停止发送新的数据包。
- 当数据包没有成功被接收方接收，接收方不会发送 ACK. 这样发送方在等待一 定时间后，重新发送数据包。
- 反复以上步骤直到收到从接收方发送的 ACK.
缺点：较长的等待时间导致低的数据传输速度。
2.回退 n 帧 (go back n)ARQ 1
为了克服停等协议长时间等待ACK 的缺陷，连续 ARQ 协议会连续发送一组数据包，然后再等待这些数据包的 ACK.
回退N 步 (Go Back N,GBN) GBN)： 回退 N 步协议允许发送方在等待超时的间歇 可以继续发送分组 。 所有发送的分组 都带有序号 。 在 GBN 协议中 发送方需响应以下三种事件：
- 上层的调用 。 上层调用相应 send() 时 发送方首先要检查发送窗口是否已满 。
- 接收 ACK 。 在该协议中 对序号为 n 的分组的确认采取累积确认的方式 表明接收方已正确接收到序号 n 以前 包括 n) 的所有分组 。
- 超时 。 若出现超时 发送方将重传所有已发出但还未被确认的分组
所有分组共用一个计时器
回退n帧详解
TCP 协议栈采用此种机制
对于接收方来说，若一个序号为n 的分组被正确接收，并且按序，则接收方会为该分组返回一个 ACK 给发送方，并将该分组中的数据交付给上层。在其他情况下，接收方都会丢弃分组。若分组 n 已接收并交付，那么所有序号比 n 小的分组也已完成了交付。因此 GBN 采用累积确认是一个很自然的选择。发送方在发完一个窗口里的所有分组后，会检查最大的有效确认，然后从最大有效确认的后一个分组开始重传。
如上图所示序号为 2 的分组丢失 因此 分组 2 及之后的分组都将被重传 。
总结：
GBN 采用的技术包括序号 、 累积确认 、 检验和以及计时 重传
缺点：
1.重传的数目比较多，重传率较高；
2.受到窗口大小影响，当窗口长度很大的时候 会使效率大大降低。
3. 选择重传 (Selective repeat)
虽然GBN 改善了停等协议中时间等待较长的缺陷 但它依旧存在着性能问题 。 特别是当窗口长度很大的时候 会使效率大大降低 。 而 SR 协议通过让发送方仅重传在接收方丢失或损坏了的分组 从而避免了不必要的重传 提高了效率 。
在SR 协议下 发送方需响应以下三种事件：
1、 从上层收到数据 。 当从上层收到数据后 发送方需检查下一个可用于该分组的序号 。 若序号在窗口中则将数据发送 。
2、 接收 ACK 。 若收到 ACK 且该分组在窗口内 则发送方将那个被确认的分组标记为已接收 。 若该分组序号等于基序号 则窗口序号向前移动到具有最小序号的未确认分组处 。 若窗口移动后并且有序号落在窗口内的未发送分组 则发送这些分组 。
3、 超时 。 若出现超时 发送方将重传已发出但还未确认的分组 。 与 GBN 不同的是SR 协议中的每个分组都有 独立的计时器
选择重传详解
在SR 协议下 接收方需响应以下三种事件：(假设接收窗口的基序号为 4 分组长度也为 4）
1、 序号在 4 7 内的分组被正确接收 。 该情况下 收到的分组落在接收方的窗口内 一个 ACK将发送给发送方 。 若该分组是以前没收到的分组 则被缓存 。 若该分组的序号等于基序号 4则该分组以及以前缓存的序号连续的分组都交付给上层 然后 接收窗口将向前移动 。
2、 序号在 0 3 内的分组被正确接收 。 在该情况下 必须产生一个 ACK 尽管该分组是接收方以前已确认过的分组 。 若接收方不确认该分组 发送方窗口将不能向前移动 。
3、 其他情况 。 忽略该分组对于接收方来说若一个分组正确接收而不管其是否按序 则接收方会为该分组返回一个 ACK给发送方 。 失序的分组将被缓存 直到所有丢失的分组都被收到 这时才可以将一批分组按序交付给上层 。
二、网络中如何做到可靠性传输
常用机制如下：
- ACK机制；
- 重传机制，重传策略(UDP 可以定制自己的重传策略)；
- 序号机制；
- 重排机制；
- 窗口机制；
总结
提示：这里对文章进行总结：
UDP 基础理论总结： UDP的特性； UDP如何实现可靠性传输
