浅谈传输层协议TCP和UDP

在当今因特网的层次结构中，传输层的协议主要有两种，其一为Transmission Control Protocol，即TCP；其二为User Datagram Protocol，即UDP。

1、TCP service model

TCP是使用最广泛的传输层通讯协议，它在两个端系统之间建立连接，并通过两端的状态机来维护连接，为应用层提供可靠的字节流传输服务。

（1）TCP是面向连接的

　　在传输实际数据的字节流之前，两个端系统的TCP会通过三次握手来确定建立连接，即所谓的3-way handshake

　　

　　在上图所示的情形中，主机A试图与主机B建立TCP连接，A会首先发一个SYN（Synchronize）信号和一个用于字节流识别的基数到B申请建立连接。如果B同意，那么B会返回一个SYN信号和A之前所发的基数，以及一个ACK（acknowledgement）表示同意建立连接并确认基数。这时，A会回复一个ACK信号到B，表示接受。至此，两端表征连接状态的状态机被初始化，双向的连接就已经建立起来，就等待字节流的传递。

　　在数据传输完成之后，并且TCP连接被要求解除（teardown），两端的传输层会通过所谓的四次挥手来解除连接关系。

　　

　　　主机A认为它不会再向B发送数据之后，请求关闭连接，A会向B发送一个FIN（Finish）信号。B接到这个信号后，会回复ACK到A，这时B会关闭从A来的数据流。A——>B的数据流被关闭，但是B可能还有数据要发往A，所以B还会发送数据到A，直到发送完成。此后，B会发送一个FIN到A申请终结连接，A会发送一个ACK表示同意。至此，A、B间的双向连接被关闭。至于A、B知道什么时候该发什么信号，是由其背后的状态机决定的。连接解除后，两端的状态机也被删除。

（2）TCP字节流的基本单元——TCP报文段（Segment）

　　根据网络中的分组交换原则，TCP字节流被划分成多个TCP报文段。一个TCP报文段，主要有首部和数据两部分。首部的各个域描述了该报文段的性质，数据则是来自应用层的数据，如HTTP请求。TCP报文段生成之后，将会交付网络层进行下一步处理。

　　TCP报文段的结构：

　　源端口和目标端口的作用：发送数据和回复信息的目标位置

　　序列号和确认序列号：序列号用于检查传输数据的完整性，并用于按序重构数据；确认序列号用于表示接收方正在等待的下一个数据序列号，以保证每个数据段都被接收。

　　求和检查（Checksum）：用于检查数据是否出现错误，如果有会要求重新发送。

　　窗口规模：用于流量控制，避免接收方被淹没。

（3）可靠的数据传输保证机制

　　上述重点字段保证的数据确保递交到位机制、数据正确性检查机制、流量控制机制，还有通过多字段保证的TCP连接身份识别机制。

2、UDP service model

　　与TCP比较，UDP的服务模型要简单很多，以至于被认为是只指定传输端口的传输层协议。

　　UDP不会建立连接，不保证数据送达（忽略丢包），也没有Sequence number来保证数据的正确顺序。它只有单向的传输，而不会有双向的交流。

　　UDP最大的优点是简单，那些不需要确保递交、流量控制、按需递交的应用，通常会选择UDP作为其传输层协议。如DNS。

（3）小结

　　这篇随笔浅谈了一下传输层的两个协议——TCP和UDP，说到了它们的性质和运行机制，各自的优势。

　　总的来说，TCP是面向连接的传输层协议，它通过诸多字段和双向交流，来给应用层提供可靠的字节流传输服务。在传输数据之前，要通过三次握手建立状态机和连接；传输数据之后，要通过四次挥手解除连接。为了将所有数据传输到目的地，TCP通常会重新发送数据段。而UDP则更加简单，只负责将数据段递交给网络层，没有建立连接的过程，不会去维护状态。

　　才疏学浅，还有待进步，欢迎大家交流。