【網絡】Udp & Tcp

文章參考：圖解TCP/IP第五版

1. 端口

1.1 端口號的作用

• 端口號可以用來標識同一個主機上通信的不同應用程序，端口號+IP地址就可以組成一個套接字，用來標識一個進程。
• 在TCP/IP協議中，用“源IP地址”,“目的IP地址”,“源端口號”,“目的端口號”,“協議號”的一個五元組來標識一個通信。

1.2 端口範圍劃分

• 0~1023：知名端口號，是留着備用的，一把都是用於協議，例如HTTP、FTP、SSH;
• 1024~65535：是操作系統動態分配的端口號，客戶端程序的端口號，就是由操作糸統從這個範圍來分配的，在TCP與UDP的套接字通信中，客戶端的端口號就是在此範圍中。

1.3 知名的端口號與端口號對應的服務器

• HTTP服務器：80；
• HTTPS：443；
• FTP服務器：21；
• TELNET服務器：23；
• SSH服務器：22；
• WEB服務器：25。

1.4 問題

（1）一個進程是否可以bind多個端口號？ 可以

（2）一個端口號是否可以被多個進程綁定？ 不可以

2. UDP協議

2.1 協議格式

• 16源端口/16目的端口/16數據報長度/16校驗和；
• 16位源端口/目的端口：負責端與端之間的數據傳輸；
• 16位udp數據報長度：包含頭部在內，udp數據報長度 ；
• 16位udp數據校驗和：校驗數據一致性----二進制反碼求和算法；
  

2.2 特性

2.2.1 無連接、不可靠

• 客戶端只需要知道服務端的地址信息就可以直接發送數據，並且不關心數據是否已經到達；
• 知道對端的IP和端口號就直接進行傳輸，不需要建立連接。

2.2.2 面向數據報

• udp整個數據報長度不能大於64k，若大於的話，兩個字節就不夠存；
• 因爲udp數據包長度的限制，若數據過大時，則需要用戶在應用層進行數據分包，將大數據報分割成一個個小的數據報64k；
• udp不能保證數據可靠、有序到達，因此需要用戶在應用層進行包序管理；
• udp在sendto發送數據時將數據放到發送緩衝區，則會直接封裝頭部，將數據發送出去。

2.3 應用場景

3. TCP協議

3.1 協議格式

• 源/目的端口：負責端與端數據傳輸
• 序號/確定序號：進行包序管理
• 長度：頭部長度，以4字節爲單位，表示tcp頭部最小爲20字節，最大爲60字節
• 標誌位：URG/ACK/PSH/RST/SYN/FIN
• 窗口大小：用於避免丟包的一種方式
• 校驗和：校驗數據一致性----二進制反碼求和
• 緊急指針：帶外數據
• 選項數據：通常用於通信雙方協商一些數據的時候使用

3.2 特性

3.2.1 面向連接

• tcp是一個有狀態的協議，三次握手建立連接，四次揮手斷開連接；
• 通信雙方之間要先建立連接。
  
• ACK： 確認號是否有效；
  • 當發送端的數據到達接收主機時，接收端主機會返回一個已收到消息的通知，這個消息叫做確認應答（ACK）。
• SYN：請求建立連接，把攜帶SYN標識的稱爲同步報文段；
• FIN：通知對方, 本端要關閉了, 把攜帶FIN標識的爲結束報文段；

【問題：爲甚什麼建立需要三次？斷開需要四次？】

(1)握手過程爲什麼是三次？

tcp是全雙工通信，必須確保雙方都有數據收發的能力，兩次不安全，四次沒必要；
客戶端發送SYN請求之後，若萬一退出服務端卻不進行再一次確認，就會丟包；
第一次SYN因爲網絡延遲與後發的第二個SYN同時到來，會造成服務端創建多餘的socket。

(2)揮手過程爲什麼是四次？

套接字的關閉有好多操作,可以分別關閉套接字的讀和寫;
當關閉套接字寫操作，會觸發向對端發送FIN包，接收方收到FIN之後，認爲對方不再繼續發送數據，因此recv會返回，等待用戶關閉套接字，關閉套接字則會給對方發送FIN；
在發送端若只關閉了寫端，並沒有關閉套接字讀端，意味着對方有可能還正在發送數據，自己有可能還需要接收，因此ACK和FIN不能一起發送，否則自己在有些數據還沒有接收成功的情況下收到了FIN，則會造成有數據還沒有處理完，或者對端有數據沒有發送完畢，因此握手三次，揮手必須得四次。

3.2.2 可靠傳輸

• 確認應答機制----發送的每一條數據要求對方進行確認回覆
• 超時重傳機制----等待確認回覆超時，則重發數據
  
• 協議字段中的序號/確認序號
  
• 協議字段中的校驗和 – 若數據不一致，則丟棄數據要求重傳
• 面向連接 – 可靠傳輸的前提

避免丟包

【滑動窗口機制】

• 通過一個窗口後沿和一個窗口前沿以及一個當前的發送序號，通過這幾個序號就可以維護一個窗口；
• 發送窗口：前沿減去後沿不大於窗口大小 --> 前沿 - 後沿 <= 窗口大小；
• 接收窗口：窗口大小不大於緩衝區中空閒空間大小 --> 窗口大小 <= 緩衝區中空閒空間大小
  
  優點：
  1. 發送方可以連續發送多條數據，等待對方回覆，提高一定的傳輸性能；
  2. 連續發送數據，連續接收確認回覆，可以避免因爲確認回覆的丟失而導致數據重傳；

【快速重傳機制】

• 當接收方接收到第二條數據，而還未接收到第一條數據，則這時認爲數據有可能丟失，因此連續發送三次對應數據的重傳請求；
• 當發送方連續接收到三條重傳請求，纔會將相應數據進行重傳，避免數據因爲網絡原因而延遲到達的重傳。
  

3.2.3 面向字節流

• 有序、可靠、雙向的、基於連接的字節流傳輸；
• tcp通信雙方在進行三次握手的時候，會協商一個信息 – MSS；
• tcp在發送數據，會將數據先放入發送緩衝區，操作系統從緩衝區中取出合適大小（MSS：最大數據段大小，不包括頭部）的數據封裝報頭進行數據傳輸；數據到達對端之後tcp分用之後，將數據放入接收緩衝區中，用戶recv從緩衝區取出想要的大小的數據。
  • 優點：數據傳輸比較靈活，但是會有一種情況：在緩衝區tcp有可能會將多條數據當作一條處理 – tcp粘包。
  • tcp的粘包本質：tcp在傳輸層對數據邊界並不敏感，多條數據合成一條數據進行處理；粘包有可能在發送方產生也有可能在接收方產生。