传输层协议（tcp ip和udp 三次握手四次握手）

1 TCP/IP协议介绍

TCP/IP协议：Transmission Control Protocol/Internet Protocol 传输控制协议/因特网互联协议。

TCP/IP是一个Protocol Stack，包括TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNET、FTP、SMTP、ARP等许多协议。最早发源于1969年美国国防部（缩写为DoD）的因特网的前身ARPA网络项目，1983年1月1日，TCP/IP 取代了旧的网络控制协议NCP，成为今天的互联网和局域网的基石和标准,由互联网工程任务组负责维护国防高级研究计划局DARPA与BBN技术公司、斯坦福大学和伦敦大学学院签约，在多个硬件平台上开发协议的操作版本。在协议开发过程中，数据包路由层的版本号从版本 1 进展到版本 4，后者于 1983 年安装在 ARPANET 中。它被称为互联网协议版本4（IPv4）作为协议，仍在互联网使用，连同其目前的继承，互联网协议版本6（IPv6）。

2 TCP/IP分层模型

3TCP/IP通信过程

4 TCP协议和UDP协议

TCP/IP协议簇的传输层协议主要有两个：TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）和UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。

4.1TCP协议和UDP协议的比较

1、TCP基于连接，而UDP基于无连接的；

2、对系统资源的要求：TCP较多（TCP有20个字节信息包），UDP少（UDP信息包只有8个字节）；

3、UDP程序结构较简单；

4、TCP是字节流模式，而UDP是数据报文模式 ；

5、TCP保证数据正确性，安全可靠，并且保证数据顺序，而UDP可能丢包，而且UDP不保证数据顺序。

4.2 TCP特性

1.端到端的面向连接的服务;

2.完全可靠性,全双工通信流接口;

3.应用程序将数据流发送给TCP;

4.在TCP流中,每个数据字节都被编号;

5.TCP层将数据流分成数据段并以序号来标识;

6.可靠的连接建立和完美的连接终止

4.3UDP特性

1、UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。

2、在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制，在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。

3、由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。

4、UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。

5、吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。

5 TCP协议

5.1 TCP报文段

TCP将若干个字节构成的一个分组，称为报文段（Segment)。TCP报文段封装在IP数据报中。

TCP报文段的首部格式如图：

源端口目的端口：计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个，即65536 （0-65535）。

序列号：表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号回绕，再次从0 开始。

确认号（ack）：表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送方：我希望你（指发送方）下次发送的数据的第一个字节数据的编号为此确认号，传输是否有问题？

数据偏移：表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。该字段的单位是32位(即4个字节为计算单位），4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部60字节

URG（紧急位） ：表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只有当URG=1时才有效ACK（确认位）： 表示是否前面确认号字段是否有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效；当ACK=0时，确认序列号无效。TCP规定，连接建立后，ACK必须为1，带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段。PSH（急切位）： 提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中。RST（重置位）： 如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志的TCP报文段称为复位报文段。SYN（同步位）： 在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1，ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段。FIN（断开位）： 表示通知对方本端要关闭连接了，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，即告诉对方：“我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了”，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文窗口大小： 表示现在允许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量，达到此值，需要ACK确认后才能再继续传送后面数据，由Window size value * Window size scaling factor（此值在三次握手阶段TCP选项Window scale协商得到）得出此值校验和： 提供额外的可靠性紧急指针：标记紧急数据在数据字段中的位置选项部分： 其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为：(2^4-1)*4-20=40字节

5.2 TCP三次握手

第一次握手：客户端向服务器发送SYN=1报文，并进入 SYN_SENT（同步已发送）状态，等待服务器的确认；
第二次握手：服务器收到SYN=1报文，向客户端发送SYN=1和 ACK=1的确认报文，此时服务器进入 SYN_RCVD（同步收到）状态；
第三次握手：客户端收到 SYN=1和ACK=1的报文段，向服务器发送ACK=1确认包，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。服务器收到客户端的ACK=1包后也进入ESTABLISHED（已建立连接）状态，完成三次握手。

5.3 四次挥手

第一次挥手。客户端向服务器发送 FIN=1 和ACK=1的报文段，之后进入FIN_WAIT_1状态。
第二次挥手。服务器接收到客户端请求断开连接的报文后，向客户端返回ACK=1的报文段。检查是否有未传输完的数据，若有则继续传输。此时服务端进入CLOSE_WAIT状态，客户端进入FIN_WAIT_2状态。
第三次挥手。数据全部传输完后，服务器向客户端发送FIN=1 和ACK=1的报文段。进入LAST_ACK状态。
第四次挥手。客户端收到服务器的 FIN 包后，返回ACK=1的报文段，此时客户端就进入了 TIME_WAIT 状态。注意此时 TCP 连接还没有释放，必须经过 2*MSL 后，才进入 CLOSED 状态。而服务器收到客户端的 ACK 确认包后就进入了 CLOSED 状态，可以看出服务器端结束 TCP 连接的时间要比客户端早一些。

tip

客户端向服务器发送第四次报文时，如果服务器没有收到，那么服务器会再次向客户端发送第三步的FIN包，客户端等待2*MSL的时间就是等服务器再次发第三步的报文，2*MSL之后如果客户端没有收到，那么客户端就断开连接。
第二次挥手时，如果服务器的数据已经传输完，那么会直接传FIN=1的报文，没有关闭等待状态，一共只有三次挥手。
MSL（Maximum Segment Lifetime）是指“报文最大生存时间”。