网络基础笔记2（TCP\UDP协议）

一、TCP传输控制协议
面向连接的可靠传输协议
TCP旨在适应支持多网络应用的分层协议层次结构。 连接到不同但互连的计算机通信网络的主计算机中的成对进程之间依靠TCP提供可靠的通信服务。TCP假设它可以从较低级别的协议获得简单的，可能不可靠的数据报服务。 原则上，TCP应该能够在从硬线连接到分组交换或电路交换网络的各种通信系统之上操作。
传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是为了在不可靠的互联网络上提供可靠的端到端字节流而专门设计的一个传输协议。
TCP为了保证报文传输的可靠，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传。
在数据正确性与合法性上，TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误，在发送和接收时都要计算校验和；同时可以使用md5认证对数据进行加密。
在保证可靠性上，采用超时重传和捎带确认机制。
在流量控制上，采用滑动窗口协议，协议中规定，对于窗口内未经确认的分组需要重传。
TCP报文是TCP层传输的数据单元，也叫报文段。

TCP报头（bit byte）

![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20201122180515551.jpg?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1dFSU5JSE0=,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center

1、源端口（Source port）和目的端口（Destination port）：各占2个字节。各16 bits。IP地址标识互联网中的不同终端，端口号标识终端中的不同应用进程，具有本地意义。32位IP + 16位端口号 = 48位插口。
端口由互联网数字分配机构（Internet Assigned Numbers Authority，IANA）分配，TCP和UDP端口号列表。

2、序号（Sequence Number）和确认序号（Acknowledgment Number）
各32 bits。TCP连接传输的字节流中的每一个字节都有序号。SN指示本报文段所发送的数据第一个字节的序号。确认号AN指示期望收到对方的下一个报文的第一个字节的序号，所有小于AN的报文都被正确接收。
若确认号=N，则表明：到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。

3、首部长度（Data offset）：4位。指出TCP报文段的数据起始处距离报文段的起始处有多远。这个字段实际上是指出TCP报文段的首部长度。由于首部中还有长度不确定的选项字段，因此数据偏移字段是必要的。单位是32位字，也就是4字节，4位二进制最大表示15，范围5~15，即20 bytes ~ 60 bytes。options部分最多允许40 bytes。

4、保留（Resevered）：6位
3 bits，将来使用，目前应设为0。
下面有6个控制位说明本报文段的性质

5、标志位（Flags）
URG = 1，指示报文中有紧急数据，应尽快传送（相当于高优先级的数据）。
PSH = 1，接到后尽快交付给接收的应用进程。
RST = 1，TCP连接中出现严重差错（如主机崩溃），必须释放连接，在重新建立连接。
FIN = 1，发送端已完成数据传输，请求释放连接。
SYN = 1，处于TCP连接建立过程。
ACK = 1，确认序号（AN）有效。

6、窗口（Window size）
16 bits，接收窗口的大小。接收端希望接收的字节数。 占2字节。窗口值是【0，2^16-1]之间的整数。窗口指的是发送本报文段的一方的接收窗口（而不是自己的发送窗口）。窗口值告诉对方： 从本报文段首部中的确认号算起，接收方目前允许对方发送的数据量。之所以要有这个限制，是因为接收方的数据缓存空间是有限的。总之，窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。并且窗口值是经常在动态变化着。

7、校验和（Checksum）
16 bits，校验报文首部、数据。2字节。检验范围包括首部和数据两部分。和UDP用户数据报一样，在计算校验和 时，要在TCP报文段加上12字节的伪首部。

8、紧急指针URG（Urgent pointer）：1位
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），而不要按原来的排队顺序来传送。例如，已经发送了很长的一个程序在远地的主机上运行。但后来发现了一些问题，需要取消该程序的运行。因此用户从键盘发出中断命令（Control+c）。如果不使用紧急数据，那么这两个字符将存储在接收TCP的缓存末尾。只有在所有的数据被处理完毕后这两个字符才被交付接收方的应用进程。这样做就浪费了许多时间。

当URG置为1时，发送应用进程就告诉发送方的TCP有紧急数据要传送。于是发送方TCP就把紧急数据插入到本报文段数据的最前面，而在紧急数据后面的数据仍时普通数据。这时要与首部中紧急指针字段配合使用。

9、确认ACK
仅当ACK=1时确认号字段才有效。当ACK=0时，确认号无效。TCP规定，在连接建立后所有的传送的报文段都必须把ACK置1。

10、推送PSH
当两个应用进程进行交互式的通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应。在这种情况下，TCP就可以使用推送操作。这时，发送方TCP把PSH置1，并立即创建一个报文段发送出去。接收方TCP收到PSH=1的报文段，就尽快地交付接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后向上交付。

虽然应用程序可以选择推送操作，但推送还很少使用。

11、复位RST
tcp连接出现严重差错时释放连接，然后重新建立连接。而可以用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个连接。

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。RST置1还用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个连接。

12、同步SYN
在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。对*同意建立连接，则应在相应的报文段中使用SYN=1和ACK=1。因此，SYN置为1就表示这是一个连接请求或连接接受保温。

13、终止FIN
用来释放一个连接。当FIN=1时，表明此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。

14.紧急指针：2字节。紧急指针仅在URG=1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数（紧急数据结束后就是普通数据）。因此，紧急指针指出了紧急数据的末尾在报文段中的位置。当所有紧急数据都处理完时，TCP就告诉应用程序恢复到正常操作。值得注意的是，即使窗口为零时也可发送紧急数据。

15.选项：长度可变，最长可达40字节。当没有使用“选项”时，TCP的首部长度是20字节。
1）MSS 最大报文段长度
MSS最大报文段长度（数据字段的最大长度，默认是536字节）。MSS不宜设的太大也不宜设的太小。若选择太小，极端情况下，TCP报文段只含有1字节数据，在IP层传输的数据报的开销至少有40字节（包括TCP报文段的首部和IP数据报的首部）。这样，网络的利用率就不会超过1/41。若TCP报文段非常长，那么在IP层传输时就有可能要分解成多个短数据报片。在终点要把收到的各个短数据报片装配成原来的TCP报文段。当传输出错时还要进行重传，这些也都会使开销增大。

因此MSS应尽可能大，只要在IP层传输时不需要再分片就行。在连接建立过程中，双方都把自己能够支持的MSS接入这一字段，以后就按照这个数值传送数据。
2）窗口扩大
窗口扩大选项是为了扩大窗口。TCP首部中窗口字段长度是16位，因此最大窗口大小就是64k字节。对于包含卫星信道的网络可能是不够用的。可以在双方初始建立TCP连接的时候就进行协商。
3）时间戳（计算RTT,防止序号绕回）
A. 用来计算往返时间RTT。发送方在发送报文段时把当前时钟的时间值放入时间戳字段，接收方在确认该报文段时把时间戳字段值复制到时间戳回送回答字段。因此，发送方在收到确认报文后，可以准确地计算RTT来。
4）选择确认选项
二、UDP用户数据报文协议
非面向连接的不可靠传输协议
用户数据报协议UDP只在IP的数据报服务之上增加了很少一点的功能，这就是复用和分用的功能以及差错检测的功能。
UDP的主要特点：

1、UDP是无连接的。即发送数据之前不需要建立连接（当然，发送数据结束时也没有连接可释放），因此减少了开销和发送数据之前的时延。

2、UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。

3、UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。这就是说，应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发送一个报文。

因此，应用程序必须选择合适大小的报文。若报文太长，UDP把它交给IP层后，IP层在传送时可能要进行分片，这会降低IP层的效率。反之，若报文太短，UDP把它交给IP层后，会使IP数据报的首部的相对长度太大，这也降低了IP层的效率。

4、UDP没有拥塞控制。因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。IP电话、实时视频会议等要求源主机以恒定的速率发送数据，并且允许在网络发生拥塞时丢失一些数据，但却不允许数据有太大的时延。

5、UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

6、UDP的首部开销小，只有8个字节，比TCP的20个字节的首部要短。

UDP报文格式

1、源端口（Source port）和目的端口（Destination port）
报文长度（Length）
16 bits，指示UDP报文（首部和数据）的总长度。最小8 bytes，只有首部，没有数据。最大值为65535 bytes。实际上，由于IPv4分组的最2、大数据长度为（65535 - 20 = 65515） bytes，UDP的报文长度不超过65515 bytes。IPv6允许UDP的长度超过65535，此时length字段设为0。
3、校验和（Checksum）