TCP/UDP 协议介绍

TCP/IP五层网络结构模型

• 物理层：物理层建立在物理通信介质的基础上，作为系统和通信介质的接口，用来实现数据链路实体间透明的比特 (bit) 流传输。只有该层为真实物理通信，其它各层为虚拟通信
• 数据链路层:在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧（Frame）在信道上无差错的传输，并进行各电路上的动作系列。数据的单位称为帧（frame）
• 网络层：选择合适的路由，使数据分组（packet）可以交付到目的主机
• 传输层：负责主机中进程间的通信
• 应用层：直接为用户的应用程序提供服务

用图说话：

五层网络模型

传输层

我们知道传输层是在进程间传输报文，同时TCP协议、UDP协议是TCP/IP中最具有代表性的传输层协议。下面就总结一下两个协议的异同以及传输层的工作原理。

TCP与UDP区分：

TCP协议：面向连接、可靠的流协议。连接是指两个应用程序为了相互传递信息而专有的、虚拟的通信线路，也叫做虚拟电路。流是指不间断的数据结构，类似于管道中的水流。可靠性指TCP协议提供可靠性传输，实行“顺序控制”或“重发控制”机制。此外还具有“流量控制”、“拥塞控制”提供网络利用率等众多功能。

UDP协议：不具有可靠性的数据报协议。只确保发送消息，其他处理都由上层应用来完成。

哇！TCP这么多特点，是不是一定比UDP厉害呢？其实不然，他们各有自己的应用场景。

TCP应用场景：效率要求相对低，但对准确性要求相对高的场景。因为传输中需要对数据确认、重发、排序等操作，相比之下效率没有UDP高。举几个例子：文件传输（准确高要求高、但是速度可以相对慢）、接受邮件、远程登录。

UDP应用场景：效率要求相对高，对准确性要求相对低的场景。举几个例子：QQ聊天、在线视频、网络语音电话（即时通讯，速度要求高，但是出现偶尔断续不是太大问题，并且此处完全不可以使用重发机制）、广播通信（广播、多播）。

传输通信：

两个协议是进程间通信，也就是说应用间的通信，那么如何在众多程序中找到自己的目的应用呢？在传输层，使用端口号来识别同一台计算机中进行通信的不同应用程序。

一般情况下可以根据“源IP地址”、“目标IP地址”、“源端口号”、“目标端口号”来进行识别一个通信，但是有些特殊情况，比如IP地址和端口号都一样，只是使用的传输协议不一样，怎么进行区分？数据到达IP层（网络层）之后，会先检查IP头部的协议号，然后再传给相应协议的模块。

因此，TCP/IP或UDP/IP通信中通常使用5个信息来识别一个通信：“源IP地址”、“目标IP地址”、“源端口号”、“目标端口号”以及“协议号”。(知名端口号与传输层协议没有关系，例如53端口在TCP、UDP中都用于DNS服务)

端口号如何确定：标准既定的端口号，0-1023为知名端口号，其他已正式注册的端口号是1024-49151；动态分配端口号，操作系统来为应用程序分配互不冲突的端口号，下一个端口号是在前一个分配号上加1，动态分配端口号范围49152-65535.

UDP详解

UDP是User Datagram Protocol缩写。UDP不提供复杂的控制机制，利用IP提供面向无连接的通信服务。并且它是将应用程序发来的数据在收到的那一刻，立即按照原样发送到网络上的一种机制。

UDP为何存在？有哪些优点呢？

• 无需建立连接（减少延迟）
• 实现简单：无需维护连接状态
• 头部开销小
• 没有拥塞控制：应用可以更好的控制发送时间和发送速率

UDP头部：

UDP头部

UDP的头部是由源端口号、目标端口号、包长和校验和组成。checksum主要是用来检测UDP段在传输中是否发生了错误。还有就是，校验和计算中也需要计算UDP伪头部，伪头部包含IP头部的一些字段。我们刚才介绍了识别一个通信需要5项信息，而UDP头部只有端口号，余下的三项在IP头部，所以引入了伪头部的概念。（IPv6的IP头部没有校验和字段）

UDP伪头部

目前有一些场景需要兼顾可靠性和高效性，那么如何在UDP上实现可靠数据传输呢？

TCP详解

TCP通过校验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输。

连接管理：

数据通信之前必须先做好连接工作，在TCP中连接的建立需要三次握手，同时在通信结束时会进行断开连接的处理（四次挥手）。一个连接的建立与断开，正常过程至少需要来回送7个包才能完成。

连接的建立和断开

在TCP中，当发送端的数据到达主机时，接收端主机会返回一个已收到消息的通知，这个消息叫ACK（确认应答，Positive Acknowledgement）。如果没有收到ACK，那么很可能出现了丢包或者返回的确认在途中丢失，此外，也可能是由于其他原因，ACK延迟到达。发送方没有收到ACK的话就会进行重发，但是针对延迟和ACK丢失的情况，会存在重复发送和接收。于是我们就引入了一种机制，来识别是否已经接收数据，又能识别是否已经接收。

上述重复控制的功能可以通过序列号来实现。序列号是按照顺序给发送数据的每一个字节都标上号码的编号，接收端查询接收数据TCP首部中的序列号和数据的长度，将自己下一步应该接收的 序号作为确认应答号返送回去。通过序列号和确认应答号，TCP实现可靠传输。

序列号与确认应答号

利用窗口控制提高速度

如果我们每发送一个段就进行一次确认，那么包的往返时间越长，网络的吞吐量量就会越差，通信性能就会越低。

为了解决这个问题，TCP引入了窗口的概念。确认应答不再是以每个片段，而是以更大的单位（窗口大小）进行确认，转发时间就被大幅度的缩短。至于窗口的大小是由接收端主机决定的，也方便进行流控制。

窗口控制与重发控制

允许发送方在收到ACK之前连续发送多个分组，针对段丢失的情况，我们来讨论窗口控制。

针对以前的延迟ACK，使用窗口控制之后，可以收到确认应答之前继续发送报文，这样整体速度就大大提高。

针对确认应答未能返回的情况。没有使用窗口控制的时候，没有收到确认应答的数据都会被重发，而使用了窗口控制，某些确认应答即便丢失也无需重发。可以根据自己的确认应答或者下一个确认应答来确认。

窗口控制

针对报文段丢失的情况。当一个报文丢失时，发送端会连续收到多个序号为1001的确认应答，来提醒发送端再次发送报文。对于发送端，如果连续三次收到同一个确认应答，将会对其对应的数据进行重发。

报文丢失的情况