高级 C 与网络编程复习（2）—— 传输层：TCP、UDP、SCTP（第二章）

总图（Big Picture）

UDP

UDP 应用程序将数据封装到 UDP 数据报，，并将其写到 UDP socket。进而封装成 IPV4 或 IPV6 数据报（datagram），然后发送到目的地
UDP 提供的是无连接的服务（connectionless service）
每个 UDP 数据报都有一个长度，如果一个数据报正确地到达目的地，那么数据报的长度将随数据一道传递给接收端应用程序
RFC 768 [Postel 1980]

TCP

面向连接（Connection-oriented）
提供可靠传输（Reliable）
TCP 通过给每个字节关联一个***（sequence）对所发送的数据进行排序（sequencing）
TCP 提供流量控制（flow control）==> 控制接收端收包的速率
全双工（full-duplex）

TCP 连接的建立和终止

三路握手 ———— Three-Way Handshake (SYN, ACK)
1. 服务器通过 socket，bind，listen 创建一个监听 socket，并调用 accpet 准备接受外来的连接（这些工作要在客户端请求来临之前做好）。
2. 客户端通过 socket 函数创建一个未连接的 socket，再调用 connect 尝试连接到服务器（此时客户端阻塞，等待服务器响应）。此时会向服务器发送一个 SYN 包（表明客户端欲向服务器申请服务），等待服务器的确认。
3. 服务器收到 SYN 包，则向客户端发送一个 ACK（告诉客户端，请求我已经收到）。同时发送一个 SYN（通知客户端服务器需要知道客户端是否收到回复，收到则请回一个 ACK）
4. 客户端收到服务器发回的 ACK 和 SYN 之后，connect 函数返回（表示连接服务器成功），并向服务器回一个 ACK（告知服务器我已经收到你的回复）
5. 服务器收到客户端的 ACK 以后 accept 函数返回（此时连接正式建立，可以开始后通信）
  - ACK 如果不捎带数据的话，是不占***的
  - SYN 占一个***
四路终止 ———— Four-Way Termination (FIN, ACK)
1. 客户端调用 close（任意一端都可以发起终止，此处以客户端发起为例，发起终止的一端称为执行主动关闭）。接着向服务器发送一个 FIN，表示数据发送完毕
2. 服务器接收到 FIN 后回复一个 ACK（此时服务器称为执行被动关闭的一端），同时服务器的 read 函数会读到一个 EOF，导致 read 函数退出
3. 一段时间后，服务器也调用 close，向客户端发送一个 FIN
4. 客户端收到 FIN 以后回复一个 ACK
  - FIN 占一个***
  - 在被动关闭一端收到 FIN 到其调用 close 函数之间的间隙，称为半关闭状态（half-close），在这段时间内理论上仍然有发送数据的可能（但是通过 close 方式关闭的话，时无法再进行通信的，因为 close 会同时关闭写一端和读一端，后面接收 shutdown 就可以只关闭写或读）
  - 当一个 Unix 进程无论自愿（调用 exit 或 main 函数返回）还是非自愿（收到一个终止本进程的信号）的终止时，所有打开的描述符都将被关闭，这也导致主机向仍然打开的任何 TCP 连接上发出一个 FIN（对于那些描述符只被这个终止的进程持有的连接而言）

TCP 状态转换图

高级 C 与网络编程复习（2）—— 传输层：TCP、UDP、SCTP（第二章）

上述状态转移图中的细线表示的是可能执行的路线。粗线和虚线表示的是 TCP 服务器和客户端正常情况（或说大多数情况）走的状态转移路线。
当发生错误，或遇到一些比较凑巧的事件，就可能走细线指向的转移路线
- 举例来说：途中有一条细线是 SYN_SENT ——> SYN_RCVD 的
- 这种情况可能是客户端发出了一个 SYN 到服务器，并希望服务器回一个 ACK 和一个 SYN
- 但是由于一些不可预知的错误，服务器返回的 SYN 和 ACK 只有 SYN 回到了客户端，而 ACK 则延迟了或丢了
- 这个时候客户端的状态就转移到了 SYN_RCVD。之后一旦收到 ACK（可能是服务器发送的消息丢包后重传，也可能是延迟的消息到达了），则客户端的状态可正常转移到 ESTABLISHED 状态

TCP 的限制

TCP 同时提供可靠数据传输和严格的有序数据分发。然而有一些应用程序需要可靠数据传输，但是不需要顺序维护，而另一些应用过程序只需要部分有序即可。
TCP 这种面向数据流的传输方式有时候是不方便的。应用程序必须添加自己的记录标记。
TCP 套接字的范围有限，使得为多宿主主机提供高可用数据传输能力的任务变得复杂
容易受到拒绝服务攻击，例如 SYN 攻击
这些限制影响公共交换电话网的 IP 性能