TCP协议和UDP协议

传输层的作用是分段及封装应用层送来的数据，提供端到端的传输服务，在发送主机与接收主机之间构建逻辑通信。传输层包括两个协议 TCP 协议、UDP 协议。

传输层协议

分段、封装、端到端

分段的主要目的就是提高传输效率。应用层到传输层的数据是一个个字节，每一个字节都会有一个编号，这个标号就叫做字节号。如果传输层接收到一个个字节，然后再一个个传输到网络层，这样的效率没有将多个字节组合起来效率高。这里可以想象我们在运西瓜，一个个送西瓜没有把西瓜装成一车运送的效率高。所以传输层会将字节组成和报文段，报文段也有编号，在这里这些编号叫做序号。

封装即表示加上相应的头部信息，将数据封装起来。

如上图所示，我们在应用层有两个应用进程 AP1 和 AP2。假设它们是 Telnet 和 Http 服务，那么它们的端口就是 23 端口和 80 端口。与之对应的 AP3 和 AP4 同样也使用 23 端口和 80 端口。

此时，传输层就会通过端口建立端到端的连接，使对应的应用程序进行通信。这里需要注意的是，此处的端到端连接，并不是指在传输层直接建立链路，而是指传输层通过端口建立了逻辑上的连接。

总结：由应用程序产生应用进程，应用进程产生进程端口号，由端口号提供相关的服务。

两台主机进程间通信条件

• 本地主机（IP地址定义）
• 本地进程（端口定义）
• 远程主机（IP地址定义）
• 远程进程（端口定义）

端口范围

• 熟知端口(著名端口)：0-1023，由ICANN指派和控制
• 注册端口：1024-49151,IANA不指派也不控制，但须注册
• 动态端口(短暂端口)：49152-65535，IANA不指派也不控制，无须注册

传输层的分用和复用

传输层协议和网络层协议的主要区别

两台主机之间要进行通信，在应用层的应用程序会启动应用进程，应用进程会开放相应的端口。两台主机通过因特网进行互联，其中网络层 IP 协议的作用是提高主机之间的逻辑通信，而传输层的 TCP 协议和 UDP 协议则提供进程之间的逻辑通信。

TCP 协议

传输控制协议 TCP 简介：

• 面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议
• 将应用层的数据流分割成报文段并发送给目标节点的 TCP 层
• 数据包都有序号，对方收到则发送 ACK 确认，未收到则重传
• 使用校验和来检验数据在传输过程中是否有误

核心问题

• TCP 包头很复杂，但是主要关注五个问题，顺序问题，丢包问题，连接维护，流量控制，拥塞控制；
• 连接的建立是经过三次握手，断开的时候四次挥手，一定要掌握的我画的那个状态图。

TCP 协议基本概念

套接字地址

• TCP 使用“连接”(而不仅仅是“端口”)作为最基本的抽象，同时将 TCP 连接的端点称为插口(socket)，或套接字、套接口。
• 插口和端口、IP 地址的关系是：ip地址+端口=套接字

在传出层向网络层发送数据时要以分组为单位，而不是以字节流来发送的。TCP 协议把若干字节构成一个分组，我们可以把这样的分组称为报文段（Segment），这种报文段并不一定都一样长，可以几个字节，也可以是几千个字节。

• 缓存：数据流向的每一个方向上都有两种缓存，发送缓存和接收缓存。

• 字节号：应用层向传输层发送的是一个个字节，在传输层会对这些字节进行编号，对字节的编号被称为字节号。字节号的范围为 0~$$(2^{32}-1)$$，它不是从 0 开始进行编号的，而是随机从某个编号开始顺序往下进行编号。

• 序号：传输层向网络层发送的是一个个报文段，一个或者多个字节组合起来形成报文段，给报文段的编号就叫做序号。每个报文段的序号就是这个报文段中第一个字节数据的字节号。

TCP 协议报文段格式详解

• 源端口和目的端口字段——各占 2 字节。端口是传输层与应用层的服务接口。传输层的复用和分用功能都要通过端口才能实现。
• 序号字段——占 4 字节。TCP 连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序 号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
• 确认号字段——占 4 字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。
• 首部长度——占 4 bit，它指出 TCP 首部共有多少个 4 字节，首部长度可以在 20~60 字节之间 。因此，这个字段值可以在5（5X4=20）至15（15X5=60）之间。
• 保留字段——占 6 bit，保留为今后使用，但目前应置为 0。
• 紧急比特 URG —— 当 URG=1 时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报 文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。
• 确认比特 ACK —— 只有当ACK=1 时确认号字段才有效。当 ACK=0时，确认号无效。
• 推送比特 PSH —— 接收 TCP 收到 PSH=1 的报文段，就尽快地交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。
• 复位比特 RST —— 当 RST=1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。
• 同步比特 SYN —— 同步比特 SYN=1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文。
• 终止比特 FIN —— 用来释放一个连接。当FIN=1 时，表明此报文段的发 送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。
• 窗口字段 —— 占 2 字节。窗口字段用来控制对方发送的数据量，单位为字节。TCP 连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对方以确定对方的发送窗口的上限。
• 检验和 —— 占 2 字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。在计 算检验和时，要在 TCP 报文段的前面加上 12 字节的伪首部。
• 紧急指针字段 —— 占 16 bit。紧急指针指出在本报文段中的紧急数据的最后一个 字节的序号。
• 选项字段 —— 长度可变 。 TCP 只规定了一种选项 ， 即 最大报文段长度 MSS (Maximum Segment Size)。MSS 告诉对方 TCP：“我的缓存所能接收的报文段 的数据字段的最大长度是 MSS 个字节。”
• 填充字段 —— 这是为了使整个首部长度是 4 字节的整数倍

三次握手

• 第一次握手：客户端发起一个连接请求，传输 SYN 表示希望建立连接，传输随机产生报文段序号的SEQ=x

• 第二次握手：服务器端收到客户端发起的连接请求，传输 SYN+ACK 表示确认连接，并且传输服务器端的报文段 SEQ=y，同时用 ACK=x+1表明希望客户端下一次传过来的报文序号为 x+1。

• 第三次握手：客户端收到服务器端的确认请求，根据服务器端的要求传输 SEQ=x+1 的报文，并且发送 ACK=y+1 确认服务器端的确认请求。

第一次握手：SYN, SEQ=x

第二次握手：SYN+ACK,SEQ=y,ACK=x+1

第三次握手：ACK,SEQ=x+1,ACK=y+1

三次握手建立连接的要点就是，我们通过 TCP 报文段中的 SYN 和 ACK 标志位来确认连接。同时需要注意报文的顺序问题，SEQ 在最开始是随机产生的，但是在建立连接的过程中要按照次序发送。

四次挥手

• 第一次挥手：A 的 TCP 报文中 FIN=1，表示我这里的工作完成了，要和你断开连接。同时，带着自己的报文序号 SEQ=x
• 第二次挥手：B 收到 A 的断开连接的请求，用 ACK=x+1表示我知道你要断开了，带上自己的报文 SEQ=y。此时连接处于半断开状态，也就是说 A 和 B 单方面表示要断开了，但是 B 这边可能还有一些事情要处理，没有正式通知 A 它这边已经准备好断开了。
• 第三次挥手：这是时候 B 的事情处理完了，它告诉 A 我这边一切 ok 了，我也准备断开了。所以 B 和 A 断开连接的请求一样，发送 FIN=1 同时发送 SEQ 和 ACK
• 第四次挥手：此时按说 A 收到 B 也说可以断开，彻底断开就完了。但是事情还没有结束。因为 A 如果不告诉 B 我已经收到你的断开请求，B 无法确认 A 是不是知道可以彻底断开了，B 就会一直发送请求，知道 A 进行回复。所以 A 要发送确认 B 断开请求的请求，即 ACK=y+1,SEQ=x+1。

这次挥手结束我们会发现 A 处于 TIME_WAIT 状态，这是什么原因呢？其实也很简单，A 发送确认请求之后无法确认这个请求会到达 B，所以就多等 2MSL 的时间，这段时间如果收到 B 的 FIN 请求，则还有机会再进行确认。如果 A 直接进行 CLOSED 状态，很有可能 B 收不到这个确认请求。

UDP 协议

UDP 是无连接、不可靠的协议。UDP 协议的责任是创建进程到进程间的通信（由端口号完成），以及有限的差错控制，出现差错悄悄丢弃报文分组。

TCP 协议与 UDP 协议的对比

TCP	UDP
TCP 提供可靠交付。通过 TCP 连接传输的数据，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。	UDP 继承了 IP 包的特性，不保证不丢失，不保证按顺序到达。
TCP 是面向字节流的。发送的时候发的是一个流，没头没尾。	UDP 继承了 IP 的特性，基于数据报的，一个一个地发，一个一个地收。
TCP 是可以有拥塞控制的。它意识到包丢弃了或者网络的环境不好了，就会根据情况调整自己的行为，看看是不是发快了，要不要发慢点。	UDP 就不会，应用让我发，我就发，管它洪水滔天
TCP 其实是一个有状态服务，是有脑子的，里面精确地记着发送了没有，接收到没有，发送到哪个了，应该接收哪个了，错一点儿都不行。	UDP 则是无状态服务。** 通俗地说是没脑子的，天真无邪的，发出去就发出去了。

TCP 协议和 UDP 协议都是传输层的通信协议。

• 协议特点：TCP 协议是面向连接的、可靠的、基于字节流的的传输层通信协议。UDP 是无连接、不可靠、基于数据报文段的通信协议；
• 应用场景：TCP 相对于 UDP 来说首部开销更大，传输速率较慢，但是可靠性更高。所以，TCP 协议适用于对通信数据可靠性要求高的场景，比如说文件传输、邮件传输等；UDP 协议适合通信速度高的场景，比如说域名转换、视频直播等。

TCP 和 UDP 分别对应的常见应用层协议

TCP 对应的应用层协议

• FTP：定义了文件传输协议，使用 21 端口。常说某某计算机开了 FTP 服务便是启动了文件传输服务。下载文件，上传主页，都要用到 FTP 服务。
• Telnet：它是一种用于远程登陆的端口，用户可以以自己的身份远程连接到计算机上，通过这种端口可以提供一种基于 DOS 模式下的通信服务。如以前的 BBS 是-纯字符界面的，支持 BBS 的服务器将 23 端口打开，对外提供服务。
• SMTP：定义了简单邮件传送协议，现在很多邮件服务器都用的是这个协议，用于发送邮件。如常见的免费邮件服务中用的就是这个邮件服务端口，所以在电子邮件设置-中常看到有这么 SMTP 端口设置这个栏，服务器开放的是 25 号端口。
• POP3：它是和 SMTP 对应，POP3 用于接收邮件。通常情况下，POP3 协议所用的是 110 端口。也是说，只要你有相应的使用 POP3 协议的程序（例如 Fo-xmail 或 Outlook），就可以不以 Web 方式登陆进邮箱界面，直接用邮件程序就可以收到邮件（如是163 邮箱就没有必要先进入网易网站，再进入自己的邮-箱来收信）。
• HTTP：从 Web 服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。

UDP 对应的应用层协议

• DNS：用于域名解析服务，将域名地址转换为 IP 地址。DNS 用的是 53 号端口。
• SNMP：简单网络管理协议，使用 161 号端口，是用来管理网络设备的。由于网络设备很多，无连接的服务就体现出其优势。
• TFTP(Trival File Transfer Protocal)：简单文件传输协议，该协议在熟知端口 69 上使用 UDP 服务。