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初始傳輸層

前面說(shuō)過(guò)，傳輸層的作用是建立應(yīng)用程序間的端到端連接，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠或不可靠的通信服務(wù)。傳輸層有兩個(gè)重要協(xié)議，分別是 TCP 和 UDP。TCP 是面向連接的可靠傳輸協(xié)議，UDP 是無(wú)連接的不可靠傳輸協(xié)議。

傳輸層協(xié)議

一個(gè) IP 地址可以標(biāo)識(shí)一臺(tái)主機(jī)，IP 報(bào)文頭部有一個(gè)字段，用來(lái)標(biāo)識(shí)上層協(xié)議類型。根據(jù)這個(gè)字段的協(xié)議號(hào)，來(lái)識(shí)別 IP 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是 TCP 還是 UDP 。IP 用協(xié)議號(hào) 6 標(biāo)識(shí) TCP ，用協(xié)議號(hào) 17 標(biāo)識(shí) UDP 。但一臺(tái)主機(jī)可能同時(shí)有多個(gè)程序，傳輸層的 TCP 和 UDP ，為了識(shí)別上一層的應(yīng)用程序類型，使用端口號(hào)來(lái)識(shí)別具體的程序，從而使這些程序可以復(fù)用網(wǎng)絡(luò)通道。

協(xié)議號(hào)和端口號(hào)

二層的幀通信和三層的包通信都是無(wú)連接的、不可靠的通信方式，四層的 TCP 卻是一種可靠的通信方式。如果幀在傳輸中丟失，通信雙方的二層功能模塊發(fā)現(xiàn)不了;如果包在傳輸中丟失，通信雙方的三層功能模塊發(fā)現(xiàn)不了。燃鵝，一個(gè) TCP 段丟失了，TCP 模塊一定能夠發(fā)現(xiàn)。一個(gè) TCP 段的丟失，意味著一個(gè) IP 包的丟失，因?yàn)?TCP 段是封裝在 IP 包里的;同理，一個(gè) IP 包的丟失，意味著一個(gè)幀的丟失。因此，二層和三層通信的不可靠性在 TCP 這里得到補(bǔ)償。

數(shù)據(jù)封裝

應(yīng)用程序其實(shí)就是 TCP/IP 的應(yīng)用協(xié)議，應(yīng)用協(xié)議大多以客戶端/服務(wù)端的形式運(yùn)行?？蛻舳? Client ，使用服務(wù)的一方。)是請(qǐng)求的發(fā)起端。而服務(wù)端( Server ，提供服務(wù)的程序或主機(jī)。)則是請(qǐng)求的處理端。作為服務(wù)端的程序有必要提前啟動(dòng)，隨時(shí)準(zhǔn)備接收客戶端的請(qǐng)求。否則即使有客戶端的請(qǐng)求發(fā)過(guò)來(lái)，也無(wú)法進(jìn)行處理。

Client/Server模式

確認(rèn)一個(gè)請(qǐng)求究竟是發(fā)給哪一個(gè)服務(wù)端，可以通過(guò)收到數(shù)據(jù)包的目的端口號(hào)輕松識(shí)別。當(dāng)收到 TCP 的建立連接請(qǐng)求時(shí)，如果目的端口號(hào)是 22 ，則轉(zhuǎn)給 SSH ，如果是 80 則轉(zhuǎn)給 HTTP 。

>TCP

TCP 是面向連接的、可靠的流協(xié)議。流就是不間斷的數(shù)據(jù)，當(dāng)應(yīng)用程序采用 TCP 發(fā)送消息時(shí)，雖然是按順序發(fā)送，但接收端收到是沒(méi)有間隔的數(shù)據(jù)流。比如，在發(fā)送端應(yīng)用程序發(fā)送了 10 次 100 字節(jié)的數(shù)據(jù)，那么在接收端，應(yīng)用程序可能會(huì)收到一個(gè) 1000 字節(jié)連續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)。

可靠傳輸

TCP 為提供可靠性傳輸，實(shí)行順序控制、重發(fā)控制機(jī)制。此外還有流量控制、擁塞控制、提高網(wǎng)絡(luò)利用率等眾多功能。

>UDP

**UDP **是不具有可靠性的協(xié)議，可靠性功能交給上層的應(yīng)用去完成。UDP 雖然可以確保發(fā)送數(shù)據(jù)的大小，比如：發(fā)送端應(yīng)用程序發(fā)送一個(gè) 100 字節(jié)的消息，那么接收端應(yīng)用程序也會(huì)以 100 字節(jié)為長(zhǎng)度接收數(shù)據(jù)。但不能保證數(shù)據(jù)一定會(huì)到達(dá)。因此，應(yīng)用有時(shí)會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行重發(fā)處理。

不可靠傳輸

>TCP 和 UDP 的區(qū)別

TCP 是可靠的傳輸協(xié)議，一定會(huì)優(yōu)于 UDP 嗎?其實(shí)不然，TCP是面向連接的，并且具備順序控制、重發(fā)控制等機(jī)制，可以為應(yīng)用提供可靠傳輸。而 UDP 主要用于對(duì)高速傳輸和實(shí)時(shí)性有較高要求的通信。比如：通過(guò) IP 電話進(jìn)行通話。如果使用 TCP ，數(shù)據(jù)如果丟失會(huì)重發(fā)，這樣就無(wú)法流暢地傳輸通話的聲音，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行正常交流。而采用 UDP ，它不會(huì)進(jìn)行重發(fā)處理。也就不會(huì)有聲音大幅度延遲到達(dá)的問(wèn)題。即使有部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，也只會(huì)影響小部分的通話。因此，TCP 和 UDP 需要根據(jù)應(yīng)用的目的選擇使用。

端口號(hào)

數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的地址，分別是 MAC 地址和 IP 地址。MAC 地址用來(lái)標(biāo)識(shí)同一網(wǎng)段中不同的設(shè)備，IP 地址標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)或路由器。傳輸層的地址就是端口號(hào)，端口號(hào)用來(lái)識(shí)別同一臺(tái)主機(jī)中不同的應(yīng)用程序，也被稱為程序地址。

一臺(tái)主機(jī)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，比如 WWW 服務(wù)的 Web 瀏覽器、電子郵箱客戶端等程序都可同時(shí)運(yùn)行。傳輸層協(xié)議正是利用這些端口號(hào)，識(shí)別主機(jī)正在進(jìn)行通信的應(yīng)用程序，并準(zhǔn)確的傳輸數(shù)據(jù)。

端口號(hào)

僅僅通過(guò)目的端口來(lái)識(shí)別某一個(gè)通信是不準(zhǔn)確的。兩臺(tái)主機(jī)訪問(wèn)的目的端口號(hào) 80 相同，可以根據(jù)源端口號(hào)區(qū)分這兩個(gè)通信。

目的端口號(hào)和源端口號(hào)相同，但是兩臺(tái)主機(jī)的源 IP地址不同;IP 地址和端口號(hào)都一樣，只是協(xié)議號(hào)不同。這些情況，都會(huì)認(rèn)為是兩個(gè)不同的通信。

因此，網(wǎng)絡(luò)通信中通常采用 5 個(gè)信息來(lái)識(shí)別一個(gè)通信。它們是源 IP 地址、目的 IP 地址、協(xié)議號(hào)、源端口號(hào)、目的端口號(hào)。只要其中一項(xiàng)不同，就會(huì)認(rèn)為是不同的通信。

會(huì)話五元素

TCP/UDP 的端口號(hào)是一個(gè) 16 位二進(jìn)制數(shù)，端口號(hào)范圍為 0 ~ 65535 。在實(shí)際進(jìn)行通信時(shí)，要事先確定端口號(hào)。確定端口號(hào)的方法分為兩種：

1)標(biāo)準(zhǔn)端口號(hào)

這種方法也叫靜態(tài)方法。它是指每個(gè)應(yīng)用程序都有指定的端口號(hào)。HTTP 、TELNET 、FTP 等常用的應(yīng)用程序所使用的端口號(hào)是固定的，這些端口號(hào)又稱為知名端口號(hào)。知名端口號(hào)范圍是 0 ~ 1023 。

除了知名端口號(hào)外，還有一些端口號(hào)也被正式注冊(cè)，稱為注冊(cè)端口。它們分布在 1024 ~ 49151 之間。

標(biāo)準(zhǔn)端口號(hào)

2)時(shí)序分配法

這種方法也叫動(dòng)態(tài)分配法。服務(wù)端有必要確定監(jiān)聽(tīng)的端口號(hào)，但是接受服務(wù)的客戶端不需要確定端口號(hào)。

客戶端應(yīng)用程序不用設(shè)置端口號(hào)，由操作系統(tǒng)進(jìn)行分配。操作系統(tǒng)可以為每個(gè)應(yīng)用程序分配不沖突的端口號(hào)。比如：每需要一個(gè)新的端口號(hào)時(shí)，就在之前分配號(hào)碼的基礎(chǔ)上加 1 。這樣，操作系統(tǒng)就可以動(dòng)態(tài)管理端口號(hào)了。

動(dòng)態(tài)分配的端口號(hào)范圍是 49152 ~ 65535 之間。

UDP

UDP ，全稱 User Datagram Protocol 。UDP 不提供復(fù)雜的控制機(jī)制，利用 IP 提供面向無(wú)連接的、不可靠的通信服務(wù)。并且它是將應(yīng)用程序發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，在收到的那一刻，立即按照原樣發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的一種機(jī)制。

即使在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁堵的情況下，UDP 也無(wú)法進(jìn)行流量控制。傳輸途中出現(xiàn)丟包，UDP 也不負(fù)責(zé)重發(fā)。當(dāng)出現(xiàn)包的到達(dá)順序錯(cuò)誤時(shí)也沒(méi)有糾正的功能。如果需要這些細(xì)節(jié)控制，那么需要交由上層的應(yīng)用程序去處理。也可以說(shuō)，是損失信息傳輸?shù)目煽啃詠?lái)提升信息傳輸?shù)男省?/p>

UDP 的特點(diǎn)如下：

UDP 是無(wú)連接的：UDP 發(fā)送數(shù)據(jù)前不與對(duì)方建立連接。

UDP 不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序：UDP 報(bào)文的頭部沒(méi)有數(shù)據(jù)順序的信息。

UDP 對(duì)數(shù)據(jù)不發(fā)送確認(rèn)，發(fā)送端不知道數(shù)據(jù)是否被正確接收，也不會(huì)重發(fā)數(shù)據(jù)。

UDP 傳送數(shù)據(jù)比 TCP 快，系統(tǒng)開(kāi)銷也少。

UDP 缺乏擁塞控制機(jī)制，不能夠檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)擁塞。

由于 UDP 面向無(wú)連接，它可以隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。再加上 UDP 本身的處理既簡(jiǎn)單又高效，因此常用于以下幾個(gè)方面：

包總量較少的通信( DNS 、SNMP 等)

視頻、音頻等多媒體通信(即時(shí)通信)

只在局域網(wǎng)使用的應(yīng)用通信

廣播通信(廣播、多播)

UDP知名端口號(hào)

TCP

UDP 將部分控制轉(zhuǎn)移給應(yīng)用程序去處理，只提供作為傳輸層協(xié)議的最基本功能。與 UDP 不同，TCP 是對(duì)傳輸、發(fā)送、通信進(jìn)行控制的協(xié)議。

主要特點(diǎn)如下：

三次握手建立連接：確保連接建立的可靠性。

端口號(hào)：通過(guò)端口號(hào)識(shí)別上層協(xié)議和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的多路復(fù)用。

完整性校驗(yàn)：通過(guò)計(jì)算校驗(yàn)和，保證接收端能檢測(cè)出傳輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

確認(rèn)機(jī)制：對(duì)于正確收到的數(shù)據(jù)，接收端通過(guò)確認(rèn)應(yīng)答告知發(fā)送方，超出一定時(shí)間后，發(fā)送方將重傳沒(méi)有被確認(rèn)的段，確保傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

序列號(hào)：發(fā)送的數(shù)據(jù)都有唯一的序列號(hào)，標(biāo)識(shí)了每一個(gè)段。接收端可以利用序列號(hào)實(shí)現(xiàn)丟失檢測(cè)、亂序重排等功能。

窗口機(jī)制：通過(guò)可調(diào)節(jié)的窗口，TCP 接收端可以告知希望的發(fā)送速度，控制數(shù)據(jù)流量。

TCP 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)各種控制功能，可以進(jìn)行丟包時(shí)的重發(fā)控制，還可以對(duì)次序錯(cuò)誤的分包進(jìn)行順序控制。作為一種面向有連接的協(xié)議，只有在確定對(duì)端存在時(shí)，才會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而可以控制通信流量的浪費(fèi)。由于 UDP 沒(méi)有連接控制，即使對(duì)端不存在或中途退出網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)包還是能夠發(fā)送出去。

1)連接

連接是指網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信的兩個(gè)應(yīng)用程序，為了相互傳遞消息而專有的、虛擬的通信線路，也叫做虛擬電路。

一旦建立了連接，進(jìn)行通信的應(yīng)用程序只使用這個(gè)虛擬線路發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，就可以保障信息的傳輸。應(yīng)用程序可以不用考慮 IP 網(wǎng)絡(luò)上可能發(fā)生的各種問(wèn)題，依然可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。TCP 則負(fù)責(zé)連接的建立、斷開(kāi)、保持等管理工作。

連接

為了在不可靠的 IP 通信實(shí)現(xiàn)可靠性傳輸，需要考慮很多事情，數(shù)據(jù)的破壞、丟包、重復(fù)以及分片順序混亂等問(wèn)題。TCP 通過(guò)校驗(yàn)和、序列號(hào)、確認(rèn)應(yīng)答、重發(fā)控制、連接管理以及窗口控制等機(jī)制實(shí)現(xiàn)可靠性傳輸。

TCP知名端口號(hào)

>序列號(hào)和確認(rèn)應(yīng)答

在 TCP 中，當(dāng)發(fā)送端的數(shù)據(jù)到達(dá)接收主機(jī)時(shí)，接收端主機(jī)會(huì)返回一個(gè)已收到的消息。這個(gè)消息叫做確認(rèn)應(yīng)答( ACK )。

正常數(shù)據(jù)傳輸

TCP 通過(guò)確認(rèn)應(yīng)答實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)發(fā)送端將數(shù)據(jù)發(fā)出后，會(huì)等待對(duì)端的確認(rèn)應(yīng)答。如果有確認(rèn)應(yīng)答，說(shuō)明數(shù)據(jù)已經(jīng)成功到達(dá)對(duì)端。否則，數(shù)據(jù)可能已經(jīng)丟失。

在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有等到確認(rèn)應(yīng)答，發(fā)送端會(huì)認(rèn)為數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失，并進(jìn)行重發(fā)。這樣，即使有丟包，仍能保證數(shù)據(jù)到達(dá)對(duì)端，實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。

數(shù)據(jù)丟失

未收到確認(rèn)應(yīng)答，不一定是數(shù)據(jù)丟失。也可能對(duì)端已經(jīng)收到數(shù)據(jù)，返回的確認(rèn)應(yīng)答在途中丟失，也會(huì)導(dǎo)致發(fā)送端重發(fā)。此外，也可能確認(rèn)應(yīng)答延遲到達(dá)，發(fā)送端重發(fā)數(shù)據(jù)后才收到。

確認(rèn)應(yīng)答丟失

每一次傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，TCP 都會(huì)標(biāo)明段的起始序列號(hào)，以便對(duì)方確認(rèn)。在 TCP 中并不直接確認(rèn)收到哪些段，而是通知發(fā)送方下一次應(yīng)該發(fā)送哪一個(gè)段，表示前面的段已經(jīng)收到。比如：收到的確認(rèn)應(yīng)答序列號(hào)是 N + 1 時(shí)，表示 N 以及 N 之前的數(shù)據(jù)都收到了。

序列號(hào)和確認(rèn)應(yīng)答

由于每一個(gè)段都有唯一的編號(hào)，這樣的話，當(dāng)接收端收到重復(fù)的段時(shí)容易發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)段丟失后也容易定位，亂序后也可以重新排列。

>超時(shí)重發(fā)

超時(shí)重發(fā)是指在重發(fā)數(shù)據(jù)之前，等待確認(rèn)應(yīng)答到來(lái)的那個(gè)間隔時(shí)間。如果超過(guò) RTT(往返時(shí)間)，仍未收到確認(rèn)應(yīng)答，發(fā)送端將進(jìn)行數(shù)據(jù)重發(fā)。

往返時(shí)間

數(shù)據(jù)被重發(fā)后，若還收不到確認(rèn)應(yīng)答，則再次發(fā)送。這時(shí)，等待確認(rèn)應(yīng)答的時(shí)間將會(huì)以 2 倍、4 倍的指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)也不會(huì)無(wú)限地重發(fā)，達(dá)到一定的重發(fā)次數(shù)后，還沒(méi)收到確認(rèn)應(yīng)答，就會(huì)認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)或?qū)Χ酥鳈C(jī)發(fā)送異常，強(qiáng)制關(guān)閉連接，并通知應(yīng)用通信異常強(qiáng)行終止。

RTT 時(shí)間是一個(gè)非常重要的參數(shù)。過(guò)大的 RTT 會(huì)導(dǎo)致 TCP 重傳非常慢，降低傳輸?shù)乃俣?過(guò)小的 RTT 會(huì)導(dǎo)致 TCP 頻繁重傳，降低資源的使用效率。在實(shí)際情況下，通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤數(shù)據(jù)往返的時(shí)間間隔來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整 RTT 的數(shù)值。

>連接管理

TCP 提供面向有連接的通信傳輸，面向有連接是指在數(shù)據(jù)通信前做好通信兩端的準(zhǔn)備工作。在數(shù)據(jù)通信前，發(fā)送一個(gè) SYN 包作為建立連接的請(qǐng)求。如果對(duì)端發(fā)來(lái)確認(rèn)應(yīng)答，則認(rèn)為可以開(kāi)始數(shù)據(jù)通信。如果對(duì)端的確認(rèn)應(yīng)答未能到達(dá)，就不會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在通信結(jié)束時(shí)，會(huì)使用 FIN 包進(jìn)行斷開(kāi)連接的處理。

SYN 包和 FIN 包是通過(guò) TCP 頭部的控制字段來(lái)管理 TCP 連接。一個(gè)連接的建立與斷開(kāi)，正常過(guò)程至少需要來(lái)回發(fā)送 7 個(gè)包才能完成。建立一個(gè) TCP 連接需要發(fā)送 3 個(gè)包，這個(gè)過(guò)程叫作三次握手。斷開(kāi)一個(gè) TCP 連接需要發(fā)送 4 個(gè)包，這個(gè)過(guò)程也稱作四次揮手。創(chuàng)建一個(gè) TCP 連接，會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 32 位隨機(jī)序列號(hào)，因?yàn)槊恳粋€(gè)新的連接使用一個(gè)新的隨機(jī)序列號(hào)。

連接管理

>三次握手

主機(jī) A 想向主機(jī) B 發(fā)送數(shù)據(jù)，TCP 模塊通過(guò)三次握手建立連接 TCP 會(huì)話。

三次握手，是指 TCP 會(huì)話建立過(guò)程中共交換了 3 個(gè) TCP 控制段，它們分布是 SYN 段、SYN + ACK 段、ACK 段。

詳細(xì)過(guò)程如下：

發(fā)送端主機(jī) A 向接收端主機(jī) B 發(fā)出 SYN 段，表示發(fā)起建立連接請(qǐng)求，同時(shí)把自己的狀態(tài)告訴主機(jī) B 。將段的序列號(hào)設(shè)為 a ，SYN 置位，表示 SYN 管理段。

主機(jī) B 收到連接請(qǐng)求后，回應(yīng) SYN + ACK 段，將序列號(hào)設(shè)為 b ，確認(rèn)號(hào)設(shè)為 a + 1 ，同時(shí)將 SYN 和 ACK 置位。

主機(jī) A 收到主機(jī) B 的連接確認(rèn)后，發(fā)送 ACK 段再次進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)會(huì)話的建立，將 ACK 置位。主機(jī) A 收到確認(rèn)號(hào)是 a + 1 、序列號(hào)是 b 的段后，發(fā)送序列號(hào)為 a + 1 、確認(rèn)號(hào)為 b + 1 的段進(jìn)行確認(rèn)。

主機(jī) B 收到確認(rèn)報(bào)文后，連接建立。雙方可以開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。

三次握手

經(jīng)過(guò) 3 次握手后，A 和 B 之間其實(shí)是建立了兩個(gè) TCP 會(huì)話，一個(gè)是從 A 指向 B 的 TCP 會(huì)話，另一個(gè)是從 B 指向 A 的 TCP 會(huì)話。A 發(fā)送的 SYN 段，表示 A 請(qǐng)求建立一個(gè) 從 A 指向 B 的 TCP 會(huì)話，目的是控制數(shù)據(jù)能夠正常、可靠的從 A 傳輸?shù)?B 。B 在收到 SYN 段后，會(huì)發(fā)送一個(gè) SYN + ACK 段作為回應(yīng)。SYN + ACK 的含義是：B 一方面同意了 A 的請(qǐng)求，另一方面也請(qǐng)求建立一個(gè)從 B 指向 A 的 TCP 會(huì)話，這個(gè)會(huì)話目的是控制數(shù)據(jù)能夠正確、可靠的從 B 傳輸?shù)?A 。A 收到 SYN + ACK 段后，回應(yīng)一個(gè) ACK ，表示同意 B 的請(qǐng)求。

>四次揮手

當(dāng) TCP 數(shù)據(jù)段的傳輸結(jié)束時(shí)，雙方都需要發(fā)送 FIN 段和 ACK 段來(lái)終止 TCP 會(huì)話。這個(gè)方式叫做四次揮手，詳細(xì)過(guò)程如下：

主機(jī) A 想要終止連接，發(fā)送序列號(hào)為 p 的段，F(xiàn)IN 置位，表示 FIN 管理段。

主機(jī) B 收到主機(jī) A 發(fā)送的 FIN 段后，發(fā)送 ACK 段，確認(rèn)號(hào)為 p + 1 ，同時(shí)關(guān)閉連接。

主機(jī) B 發(fā)送序列號(hào)為 q的段，F(xiàn)IN 置位，通知連接關(guān)閉。

主機(jī) A 收到主機(jī) B 發(fā)送的 FIN 段后，發(fā)送 ACK 段，確認(rèn)號(hào)為 q + 1 ，同時(shí)關(guān)閉連接。TCP 連接至此結(jié)束。

四次揮手

TCP 會(huì)話的終止分為兩個(gè)部分。首先 A 發(fā)送 FIN 控制段，請(qǐng)求終止從 A 到 B 的 TCP 會(huì)話。B 回應(yīng) ACK 段，表示同意 A 的終止會(huì)話請(qǐng)求。A 收到 B 的 ACK 段后，才開(kāi)始終止這個(gè)會(huì)話。同理，B 也會(huì)向 A 發(fā)起請(qǐng)求，終止從 B 到 A 的 TCP 會(huì)話。

>單位段

經(jīng)過(guò)傳輸層協(xié)議封裝后的數(shù)據(jù)稱為段。在建立 TCP 連接時(shí)，可以確定數(shù)據(jù)段的大小，也就是最大消息長(zhǎng)度( MSS )。TCP 在傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，是以 MSS 的大小將數(shù)據(jù)進(jìn)行分割發(fā)送，重發(fā)也是以 MSS 為單位。

MSS分片

MSS 是在三次握手時(shí)，由兩端主機(jī)計(jì)算出來(lái)的。兩端主機(jī)在發(fā)出建立連接的請(qǐng)求時(shí)，會(huì)在 TCP 頭部寫入 MSS 值。然后在兩者間選擇較小的值使用。MSS 默認(rèn)值為 536 字節(jié)，理想值是 1460 字節(jié)，加上 IP 頭部 20 字節(jié)和 TCP 頭部 20字節(jié)，剛好在 IP 層不會(huì)被分片。

MSS協(xié)商

>窗口控制

TCP 是以 1 個(gè)段為單位，每發(fā)一個(gè)段進(jìn)行一次確認(rèn)應(yīng)答。如果包的往返時(shí)間越長(zhǎng)，通信性能就越低。

按數(shù)據(jù)包確認(rèn)應(yīng)答

為解決這個(gè)問(wèn)題，TCP 引入了窗口的概念。確認(rèn)應(yīng)答不再是每個(gè)分段，而是以窗口的大小進(jìn)行確認(rèn)，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間被大幅度的縮短。窗口大小就是指無(wú)需等待確認(rèn)應(yīng)答，而可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的最大值。窗口大小是一個(gè) 16 位字段，因此窗口最大是 65535 字節(jié)。在 TCP 傳輸過(guò)程中，雙方通過(guò)交換窗口的大小來(lái)表示自己剩余的緩沖區(qū)( Buffer )空間，以及下一次能夠接受的最大數(shù)據(jù)量，避免緩沖區(qū)的溢出。

滑動(dòng)窗口

發(fā)送數(shù)據(jù)中，窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)即使沒(méi)有收到確認(rèn)應(yīng)答也可以發(fā)送出去。如果窗口中的數(shù)據(jù)在傳輸中丟失，也需要進(jìn)行重發(fā)。因此，發(fā)送端主機(jī)在收到確認(rèn)應(yīng)答前，必須在緩沖區(qū)保留這部分?jǐn)?shù)據(jù)。

收到確認(rèn)應(yīng)答后，將窗口滑動(dòng)到確認(rèn)應(yīng)答中的序列號(hào)位置。這樣可以按順序?qū)⒍鄠€(gè)段同時(shí)發(fā)送，這種機(jī)制也被稱為滑動(dòng)窗口控制。

滑動(dòng)窗口控制

>窗口控制和重發(fā)控制

在使用窗口控制時(shí)，如果出現(xiàn)確認(rèn)應(yīng)答未能返回的情況，數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)對(duì)端，是不需要再進(jìn)行重發(fā)的。然而，在沒(méi)有使用窗口控制時(shí)，沒(méi)收到確認(rèn)應(yīng)答的數(shù)據(jù)是會(huì)重發(fā)的。而使用了窗口控制，某些確認(rèn)應(yīng)答即使丟失也無(wú)需重發(fā)。

窗口控制重發(fā)

如果某個(gè)報(bào)文段丟失，接收主機(jī)收到序號(hào)不連續(xù)的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)為已經(jīng)收到的數(shù)據(jù)返回確認(rèn)應(yīng)答。即使接收端收到的包序號(hào)不是連續(xù)的，也不會(huì)將數(shù)據(jù)丟棄，而是暫時(shí)保存至緩沖區(qū)。出現(xiàn)報(bào)文丟失時(shí)，同一個(gè)序號(hào)的確認(rèn)應(yīng)答將會(huì)被重復(fù)發(fā)送。如果發(fā)送端收到連續(xù) 3 次同一個(gè)確認(rèn)應(yīng)答，就會(huì)將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重發(fā)。這種機(jī)制比超時(shí)管理更高效，也被稱為高速重發(fā)機(jī)制。

高速重發(fā)控制

>流控制

接收端處于高負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，可能無(wú)法處理接收的數(shù)據(jù)，并丟棄數(shù)據(jù)，就會(huì)觸發(fā)重發(fā)機(jī)制，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量無(wú)端浪費(fèi)。

為了防止這種情況，TCP 提供一種機(jī)制可以讓發(fā)送端根據(jù)接收端的實(shí)際接收能力控制發(fā)送的數(shù)據(jù)量，這就是流控制。它的具體操作是，接收端主機(jī)通知發(fā)送端主機(jī)自己可以接收數(shù)據(jù)的大小，于是發(fā)送端會(huì)發(fā)送不超過(guò)這個(gè)限度的數(shù)據(jù)。這個(gè)限度的大小就是窗口大小。

TCP 頭部中有一個(gè)字段用來(lái)通知窗口大小。接收主機(jī)將緩沖區(qū)大小放入這個(gè)字段發(fā)送給接收端。當(dāng)接收端的緩存不足或處理能力有限時(shí)，窗口大小的值會(huì)降低一半，從而控制數(shù)據(jù)發(fā)送量。也就是說(shuō)，發(fā)送端主機(jī)會(huì)根據(jù)接收端主機(jī)的指示，對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的量進(jìn)行控制，也就形成了一個(gè)完整的 TCP 流控制。

若接收端要求窗口大小為 0 ，表示接收端已經(jīng)接收全部數(shù)據(jù)，或者接收端應(yīng)用程序沒(méi)有時(shí)間讀取數(shù)據(jù)，要求暫停發(fā)送。

流控制

如果窗口更新的報(bào)文丟失，可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)通信。為避免這個(gè)問(wèn)題，發(fā)送端主機(jī)會(huì)時(shí)不時(shí)的發(fā)送一個(gè)叫窗口探測(cè)的數(shù)據(jù)段，此數(shù)據(jù)段僅含一個(gè)字節(jié)以獲取最新的窗口大小信息。

>擁塞控制

有了 TCP 的窗口控制，收發(fā)主機(jī)之間不再以一個(gè)數(shù)據(jù)段為單位發(fā)送確認(rèn)應(yīng)答，也能夠連續(xù)發(fā)送大量數(shù)據(jù)包。在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁堵時(shí)，如果突然發(fā)送一個(gè)較大量的數(shù)據(jù)，有可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

為了防止這個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)，在通信開(kāi)始時(shí)，就會(huì)通過(guò)一個(gè)叫慢啟動(dòng)的算法得出的數(shù)值，對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)量進(jìn)行控制。

慢啟動(dòng)

為了在發(fā)送端調(diào)節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)的量，需要使用擁塞窗口。在慢啟動(dòng)時(shí)，將擁塞窗口的大小設(shè)置為 1 MSS 發(fā)送數(shù)據(jù)，之后每收到一次確認(rèn)應(yīng)答( ACK ),擁塞窗口的值就加 1 。在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，將擁塞窗口的大小與接收端主機(jī)通知的窗口大小做比較，選擇它們當(dāng)中較小的值發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣可以有效減少通信開(kāi)始時(shí)連續(xù)發(fā)包導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵，還可以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。

TCP 和 UDP 的對(duì)比

TCP和UDP對(duì)比

UDP 格式

UDP 段由 UDP 頭部和 UDP 數(shù)據(jù)組成。UDP 頭部有源端口號(hào)、目的端口號(hào)、長(zhǎng)度、校驗(yàn)和組成，UDP 頭部長(zhǎng)度為固定的 8 字節(jié)。

UDP報(bào)文格式

源端口號(hào)：字段長(zhǎng) 16 位，表示發(fā)送端 UDP 端口號(hào)。

目的端口號(hào)：字段長(zhǎng) 16 位，表示接收端 UDP 端口號(hào)

長(zhǎng)度：字段長(zhǎng) 16 位，表示 UDP 頭部和 UDP 數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度。

校驗(yàn)和：字段長(zhǎng) 16 位，是錯(cuò)誤檢查的字段，包括 UDP 頭和 UDP 數(shù)據(jù)的內(nèi)容計(jì)算得出，用于檢查傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

TCP 格式

TCP 頭部比 UDP 頭部復(fù)雜得多，由一個(gè) 20 字節(jié)的固定長(zhǎng)度加上可變長(zhǎng)的選項(xiàng)字段組成。

TCP報(bào)文格式

源端口號(hào)：字段長(zhǎng) 16 位，表示發(fā)送端 TCP 端口號(hào)。

目的端口號(hào)：字段長(zhǎng) 16 位，表示接收端 TCP 端口號(hào)。

序列號(hào)：字段長(zhǎng) 32 位，是指 TCP 段數(shù)據(jù)的位置序號(hào)。根據(jù)序列號(hào)來(lái)判斷是否存在重收、漏收、亂序等情況。

確認(rèn)號(hào)：字段長(zhǎng) 32 位，是指下一次應(yīng)該收到的數(shù)據(jù)的序列號(hào)。收到這個(gè)確認(rèn)號(hào)，表示這個(gè)確認(rèn)號(hào)之前的數(shù)據(jù)都已經(jīng)正常收到。

數(shù)據(jù)偏移：字段長(zhǎng) 4 位，表示 TCP 數(shù)據(jù)從哪一位開(kāi)始計(jì)算，也可以看作 TCP 頭部的長(zhǎng)度。

保留：字段長(zhǎng) 6 位，保留給以后擴(kuò)展使用。

控制位：字段長(zhǎng) 6 位，每 1 位標(biāo)志位可以打開(kāi)一個(gè)控制功能，也叫做控制位。從左到右分別是 URG 、ACK 、PSH 、RST 、SYN 、FIN 。

控制位

URG：標(biāo)志位為 1 時(shí)，表示有需要緊急處理的數(shù)據(jù)。

ACK：標(biāo)志位為 1 時(shí)，表示確認(rèn)應(yīng)答有效。

PSH：標(biāo)志位為 1 時(shí)，表示將數(shù)據(jù)立即上傳給應(yīng)用程序，而不是在緩沖區(qū)排隊(duì)。

RST：標(biāo)志位為 1 時(shí)，表示 TCP 連接出現(xiàn)異常，必須強(qiáng)制斷開(kāi)連接。

SYN：標(biāo)志位為 1 時(shí)，表示請(qǐng)求建立連接，并設(shè)置序列號(hào)的初始值。

FIN：標(biāo)志位為 1 時(shí)，表示數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，請(qǐng)求斷開(kāi) TCP 連接。

窗口：字段長(zhǎng) 16 位，標(biāo)明滑動(dòng)窗口的大小，表示自己還能接收多少字節(jié)的數(shù)據(jù)。

校驗(yàn)和：字段長(zhǎng) 16 位，是錯(cuò)誤檢查的字段，包括 TCP 頭和 TCP 數(shù)據(jù)的內(nèi)容計(jì)算得出，用于檢查傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

緊急指針：字段長(zhǎng) 16 位，表示緊急數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。當(dāng) URG 位為 1 時(shí)，這個(gè)字段才有效。

選項(xiàng)：字段的長(zhǎng)度是可變的。通過(guò)添加不同的選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn) TCP 的一些擴(kuò)展功能。

填充：如果 TCP 段的頭部不是 4 字節(jié)的整數(shù)倍，就填充一些 0 ，來(lái)保證頭部長(zhǎng)度是 4 字節(jié)的整數(shù)倍。

數(shù)據(jù)：TCP 段的數(shù)據(jù)部分，不是 TCP 頭部?jī)?nèi)容，字段最大是 MSS 。

審核編輯：湯梓紅