计算机网络：运输层 —— TCP/IP运输层中的两个重要协议

我们来简单介绍一下 TCP/IP 运输层中的两个重要协议—— TCP 协议 与 UDP 协议

TCP 协议

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层（运输层）通信协议。

主要特点：

• 可靠性高：
  • 序列号与确认应答：发送数据时，TCP 会为每个字节的数据都进行编号，即序列号。接收方收到数据后，会返回一个确认应答，告知发送方已成功接收的数据的序列号。通过这种方式，发送方可以确认数据是否被正确接收，如果在一定时间内没有收到确认应答，就会认为数据丢失并进行重传。
  • 校验和：TCP 在发送和接收数据时都会计算校验和。校验和是根据数据内容计算出的一个数值，用于检测数据在传输过程中是否发生错误。如果接收方计算出的校验和与发送方发送的校验和不一致，就会丢弃该数据，并通知发送方重传。
• 面向连接：在数据传输之前，需要先建立 TCP 连接。这个连接是双向的，一旦连接建立，就可以在连接上进行可靠的数据传输。连接的建立通过三次握手过程实现，连接的释放通过四次挥手过程完成。
• 流量控制：TCP 使用滑动窗口机制进行流量控制。接收方会告知发送方自己的接收窗口大小，发送方根据这个窗口大小来控制发送数据的速度，确保不会发送过多的数据导致接收方无法处理。
• 拥塞控制：TCP 具有拥塞控制机制，用于避免网络拥塞。当网络拥塞时，TCP 会减少发送数据的速度；当网络状况好转时，再逐渐增加发送速度。拥塞控制算法主要包括慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等部分。

TCP 协议具有可靠传输、面向连接等特点，适用于对数据传输可靠性要求较高的应用场景，如文件传输、电子邮件、网页浏览等。

工作方式

建立连接（三次握手）

• 第一次握手：客户端向服务器发送一个 SYN 报文（同步报文段），请求建立连接。此时客户端进入 SYN_SENT 状态。
• 第二次握手：服务器收到客户端的 SYN 报文后，会向客户端发送一个 SYN + ACK 报文（同步确认报文段），表示收到了客户端的请求，并同意建立连接。此时服务器进入 SYN_RECV 状态。
• 第三次握手：客户端收到服务器的 SYN + ACK 报文后，会向服务器发送一个 ACK 报文（确认报文段），确认收到了服务器的 SYN 报文。此时客户端和服务器进入 ESTABLISHED 状态，连接建立成功，可以开始传输数据。

释放连接（四次挥手）

• 第一次挥手：主动关闭方（通常是客户端）发送一个 FIN 报文（结束报文段），表示不再发送数据，请求关闭连接。此时主动关闭方进入 FIN_WAIT_1 状态。
• 第二次挥手：被动关闭方（通常是服务器）收到 FIN 报文后，会发送一个 ACK 报文，确认收到了主动关闭方的关闭请求。此时被动关闭方进入 CLOSE_WAIT 状态，主动关闭方进入 FIN_WAIT_2 状态。
• 第三次挥手：被动关闭方处理完剩余的数据后，也会发送一个 FIN 报文，请求关闭连接。此时被动关闭方进入 LAST_ACK 状态。
• 第四次挥手：主动关闭方收到被动关闭方的 FIN 报文后，会发送一个 ACK 报文，确认收到了被动关闭方的关闭请求。此时主动关闭方进入 TIME_WAIT 状态，等待一段时间后（通常为 2 倍的报文最大生存时间 MSL），进入 CLOSED 状态，被动关闭方收到 ACK 报文后，也进入 CLOSED 状态，连接彻底关闭。

首部格式

• 源端口和目的端口：各占 16 位，用于标识数据的发送方和接收方的应用程序进程。
• 序列号：32 位，用于对发送的数据字节进行编号，确保数据的顺序。
• 确认应答号：32 位，是接收方期望收到的下一个数据的序列号，用于确认数据的接收。
• 数据偏移：4 位，指示 TCP 首部的长度，单位是 4 字节。
• 标志位：共 6 位，包括 URG（紧急指针有效）、ACK（确认号有效）、PSH（推送功能）、RST（复位连接）、SYN（请求建立连接）、FIN（通知对方本端要关闭连接）。
• 窗口：16 位，用于表示接收方的接收窗口大小，即接收方能够接收的数据量。
• 校验和：16 位，用于检验数据的正确性。
• 紧急指针：16 位，只有在 URG（紧急指针有效）标志位被设置时才有意义，表示紧急数据的偏移量。

UDP 协议

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种无连接的、不可靠的传输层（运输层）协议。

主要特点：

1. 无连接

   • UDP 在通信之前不需要建立连接，直接将数据封装成 UDP 数据报进行发送。这就像发送一封普通的信件，不需要事先与收件人建立联系，直接投入邮筒即可。
   • 这种无连接的特性使得 UDP 通信非常快速和高效，适用于一些对实时性要求较高、但对数据可靠性要求相对较低的场景。

2. 不可靠传输

   • UDP 不保证数据一定能够到达目的地，也不进行数据的重传和确认。如果数据在传输过程中丢失或损坏，UDP 不会采取任何措施进行修复。
   • UDP 传输的数据可能会出现丢失、乱序、重复等问题。但对于一些实时性要求极高的应用，如视频会议、在线游戏等，偶尔的数据丢失并不会对用户体验产生太大影响，而快速的传输速度更为重要。

3. 面向数据报

   • UDP 是面向数据报的协议，即一次发送一个完整的数据报，接收方也一次接收一个完整的数据报。数据报之间是相互独立的，不存在像 TCP 那样的字节流概念。
   • 每个 UDP 数据报都有固定的长度限制，理论上最大长度为 65507 字节（65535 字节减去 UDP 首部的 8 字节和 IP 首部的 20 字节）。但在实际应用中，由于网络环境等因素的限制，通常不会发送这么大的数据报。

首部格式

1. 源端口号（16 位）：用于标识发送数据报的应用程序进程。
2. 目的端口号（16 位）：用于标识接收数据报的应用程序进程。
3. 长度（16 位）：指示 UDP 数据报的总长度，包括首部和数据部分。
4. 校验和（16 位）：用于检测 UDP 数据报在传输过程中是否出现错误。如果校验和计算结果为 0，则表示数据报没有错误；如果校验和不为 0，则表示数据报出现了错误，接收方可以选择丢弃该数据报。

适用场景

1. 实时多媒体应用：如视频会议、在线直播、语音通话等。这些应用对实时性要求非常高，不希望因为数据重传等机制而引入延迟。即使偶尔出现数据丢失，也不会对用户体验产生太大影响。

2. 多播和广播应用：UDP 支持多播和广播通信，可以将数据同时发送给多个接收者。这在一些需要进行大规模数据分发的场景中非常有用，如网络电视、在线游戏更新等。

3. 简单的请求 - 响应应用：对于一些简单的请求 - 响应式的应用，如域名系统（DNS）查询，UDP 可以快速地发送请求并接收响应，而不需要建立复杂的连接和进行可靠的数据传输。

TCP 与 UDP 的对比

无连接的UDP和面向连接的TCP

此处的连接指逻辑连接关系，而不是物理连接。

• UDP协议：

  • UDP 是一种无连接、不可靠的数据传输协议。
  • 在 UDP 中，发送方直接将数据包发送到接收方，中间没有建立连接的过程。
  • 数据传输过程中不会进行确认或重传机制，因此可能存在数据丢失的情况。

• TCP 协议：

  • TCP 是一种面向连接、可靠的传输协议。

  • 在 TCP 中，发送方与接收方之间需要先建立一个连接，这个过程称为“三报文握手”。

  • 建立连接后，基于 TCP 连接进行数据传输。TCP 会确保数据的可靠传输，包括错误检测、重传等机制。

  • 传输完成后，双方还需要通过“四报文挥手”来释放 TCP 连接。

对单播、多播和广播的支持情况

• UDP支持单播、多播和广播

• TCP仅支持单播（可靠通信）

对应用层报文的处理

UDP对应用进程交付下来的报文既不合并也不拆分，而是保留这些报文的边界。即，UDP是面向应用报文的。

TCP是面向字节流的

• 发送方的 TCP 把应用进程交付下来的应用报文仅仅看作一连串的，无结构的字节流， TCP 并不知道这些待传输的字节流的含义，仅将它们编号并存储在自己的发送缓存中。 TCP 根据发送策略，从发送缓存中提取一定数量的字节，并给其添加一个首部，使之成为TCP报文段并进行发送。

• 接收方的 TCP，一方面从所接收到的 TCP 报文段中，取出数据载荷并存储在接收缓存中，另一方面，将接收缓存中的一些字节向上交付给应用进程。

• TCP 不保证 接收方应用进程所接收到的数据块，与发送方应用进程所发出的应用层报文之间具有对应大小的关系。

例如，发送方应用进程交给发送方的 TCP 共 10 个应用层报文，但接受方的 TCP 可能只用了 4 个数据块，就把收到的字节流交付给了上层的应用进程，但接收方应用进程收到的字节流，必须和发送方应用进程发出的字节流完全一样。接收方的应用进程必须有能力识别收到的字节流，把它还原成有意义的应用层报文。

在实际网络中，基于 TCP 连接的两端，可以同时进行 TCP 报文段的发送和接收，也就是全双工通信。

对数据传输可靠性的支持情况

• UDP 不保证数据的顺序、完整性和到达情况。数据可能在网络中丢失、出现乱序或重复，接收方收到数据后不做任何处理，产生误码的数据直接丢弃。

• 对于 TCP，发送方和接收方之间需要建立连接，并且在传输结束后关闭连接。发送方通过 TCP 向接收方发送数据，TCP 协议负责处理数据的排序、重发和流量控制，提供可靠的数据传输，确保数据的完整。

UDP首部和TCP首部的对比

UDP TCP常用端口