计算机网络—运输层—TCP/UDP

目录

• TCP/UDP对比
• TCP的特性
  • TCP的流量控制
  • TCP的拥塞控制
    • TCP的拥塞控制算法
• TCP的可靠传输如如何实现的？
• TCP运输连接有三个阶段
  • 1 TCP建立连接
    • TCP建立连接的目的
    • TCP建立连接的过程 三次握手 （※）
    • 为什么要进行三次握手？
    • 只有两次握手会出现什么状况？
  • 2 数据传输
  • 3 TCP释放连接
    • TCP释放连接的过程
    • 为什么客户端第四次挥手后还有个时间等待状态time-wait？
      • TCP中保活计时器的作用
    • TCP 本身是操作系统内核中的协议栈实现
      • TCP报文段首部格式
• UDP

TCP/UDP对比

UDP(User Datagram Protocol)	TCP(Transmission Control Protocal)
无连接：通信双方可直接发送数据	面向连接的:三次握手，通信，四次挥手
UDP支持单播、多播和广播	TCP仅支持单播 一对一通讯
UDP是面向应用报文的：对应用进程交付的报文既不合并也不拆分	TCP是面向字节流的：对应用程序交付的字节流进行编号，传输
不可靠：用户数据报的丢失和误码，UDP并不处理	可靠的：确保不出现传输查重

TCP的特性

TCP的流量控制

感觉还是老师视频里讲的明了
【计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）】 https://www.bilibili.com/video/BV1c4411d7jb/?p=60&share_source=copy_web&vd_source=0a3f7f13ede45276c02cf7397c32c90b

TCP的拥塞控制

TCP的拥塞控制算法

TCP的可靠传输如如何实现的？

TCP使用以字节为单位的滑动窗口，通过确认机制和重传机制处理数据丢失，保证数据的有序性、完整性。（主要机制）

发送方维护一个发送窗口，，发送窗口中前半段是已发送的字节，后半段是等待发送的字节。
发送方发送的报文段的起始序号和字节长度

接收方收到报文段后会发送确认报文段，(ack表示确认34之前的字节已按序收到，rwnd表示接收窗口长度)

发送方收到确认报文段后，一般会随之调整滑动窗口(发送窗口)的位置。

当数据丢失（如网络丢包）或损坏（校验和错误）时，重传机制会重新发送丢失的字节(或者报文段)，确保数据完整。TCP 的重传机制主要包括超时重传和快速重传。

TCP运输连接有三个阶段

• 建立TCP连接 三次握手
• 数据传送
• 释放TCP连接 四次挥手

1 TCP建立连接

TCP建立连接的目的

• 使TCP双方能够明确感知对方存在
• 使TCP双方能够协商一些参数(最大窗口值，窗口扩大选项等)
• 使TCP双方能对运输实体资源(例如缓存大小，链接表中的项目等)进行分配。

TCP建立连接的过程 三次握手 （※）

TCP建立连接前，TCP服务端处于监听状态（Listen)

• 第一次握手 TCP客户端发送连接请求: 发送请求报文段( 首部中同步标志位SYN=1，表示这是一个请求报文；序号字段随机赋值seq=x，作为客户进程的初始序号) 客户端进入SYN-sent状态，同步已发送
• 第二次握手 服务器收到建立连接报文段后，发送确认报文段:(首部中同步标志位SYN=1， 确认位ACK=1，seq=y，ack=x+1ack是对客户进程初始序号的确认) 服务端进入SYN-rcvd状态，同步已接收
• 第三次挥手，客户端收到确认后（进入Established状态），向服务端发送确认报文段：（确认位ACK=1表明这是普通报文段；报文段序号为seq=x+1表示seq表示所携带数据的第一个字节在整个数据流中的序号；ack=y+1对服务器进程序号字段的确认）服务端也进入（进入Established状态）

为什么要进行三次握手？

1. 确认双方 “收发能力正常”
   第一次握手：服务器知道 “客户端能发送”（因为收到了SYN），但客户端不知道服务器是否能接收或发送。
   第二次握手：客户端知道 “服务器能接收（收到了自己的SYN）且能发送（自己收到了服务器的SYN+ACK）”，但服务器不知道客户端是否能接收自己的SYN。
   第三次握手：服务器知道 “客户端能接收”（因为收到了确认自己SYN的ACK）。
   至此，双方确认：客户端能发能收，服务器也能发能收，双向通信的基础成立。
2. 同步双方的初始序号seq

TCP 数据传输依赖 “字节序号” 保证有序性和去重（每个字节都有唯一序号），而序号的起点（seq）是随机生成的（防止旧报文干扰）。
三次握手使得双方相互确认初始序号。

只有两次握手会出现什么状况？

假设两次握手成立：服务器收到SYN后，回复SYN+ACK并直接进入连接状态，等待客户端发送数据。
但此时，服务器并不知道客户端是否收到了自己的SYN+ACK，如果客户端的SYN是 “过期的旧报文”（比如因网络延迟滞留的报文），
旧SYN到达服务器，服务器误以为是新连接，回复SYN+ACK并建立连接，占用端口、缓冲区等资源；

2 数据传输

3 TCP释放连接

TCP释放连接的过程

使用TCP客户进程的应用进程通知TCP进程主动关闭TCP连接，释放连接开始。

• 第一次挥手：TCP客户进程发送连接释放报文段，并进入终止等待1状态。报文段首部中（终止标志位FIN=1，确认位ACk=1 表明这是释放报文段；seq=u，延续自身字节序号，ack=v对上一个收到的信息回应）
• 第二次挥手：TCP服务器进程收到释放报文，会发送一个确认报文段（首部中，确认位ACK=1，表明这是一个普通的确认报文段；seq=v 表示字节序号；确认号ack=u+1 ），然后通知高层应用进程用户要断开TCP连接

（此时TCP连接处于半关闭状态，即TCP客户进程不会再发送数据了；但此时TCP服务进程如果还有数据要发送，TCP客户进程可以接收；TCP客户进程收到确认报文段进入终止等待2状态）

• 第三次挥手：服务端应用进程发送完最后的数据后，通知TCP服务进程释放连接。TCP服务进程发送TCP释放报文段，进出Last-ACK(最后确认状态)；报文段首部中（终止位FIN=1，确认位ACk=1 表明这是释放报文段；序列号seq=w 因为中间服务端可能发送了一些字节；确认号ack=u+1）
• 第四次挥手：客户端收到TCP释放报文段后，发送普通确认报文段，然后进入时间等待（time-wait）状态。（首部确认位ACK=1 表明这是普通确认报文段）

（TCP服务进程收到确认报文段后进入关闭状态（Closed）；而TCP客户进程则需要等2MSL(最长报文端寿命)后才进入关闭状态）

为什么客户端第四次挥手后还有个时间等待状态time-wait？

如果第四次挥手所发送的确认报文段丢失，TCP服务端没收到确认报文段会触发超时重传，如果客户端直接进入关闭状态closed，不会进行响应。TCP服务进程就会一直无法进入关闭状态。

TCP中保活计时器的作用

如果客户设备突然出现故障，那么服务端和客户端不能正常四次挥手释放连接，需要服务端检测客户进程状态

TCP 本身是操作系统内核中的协议栈实现

TCP 协议栈的运行不需要占用端口号，而 “应用程序”（如浏览器、服务器程序）是用户态的进程，它们通过系统调用（如bind()、connect()）使用 TCP 协议进行通信时，必须绑定端口号。

TCP报文段首部格式

（老师的图里已经讲的很清晰了）

UDP