TCP和UDP详解
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提示:以下是本篇文章正文内容,Java系列学习将会持续更新
一、UDP 协议
UDP全称为用户数据报协议。UDP 为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的 IP 数据包的方法。
1.1 报文格式
1.2 协议特点
- 无连接:只知道对端的IP和端口号就可以发送,不需要实现建立连接。(就像寄信)。
- 不可靠:没有确认机制, 没有重传机制。如果因为网络故障该段无法发到对方, UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息。
- 面向数据报: 应用层交给UDP多长的报文, UDP原样发送既不会拆分,也不会合并。所以UDP不能够灵活的控制读写数据的次数和数量。
- UDP存在接收缓冲区,但不存在发送缓冲区。UDP没有发送缓冲区,在调用send to时会直接将数据交给内核,由内核将数据传给网络层协议进行后续的传输动作。UDP具有接收缓冲区,但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报文的顺序和发送UDP报的顺序一致,如果缓冲区满了再到达的UDP数据报就会被丢弃。
为什么UDP不需要发送缓冲区? 因为UDP不保证可靠性,它没有重传机制,当报文丢失时,UDP不需要重新发送,而TCP不同,他必须具备发送缓冲区,当报文丢失时,TCP必须保证重新发送,用户不会管,所以必须要具备发送缓冲区。
- 大小受限。UDP协议首部中有一个16位的最大长度。也就是说一个UDP能传输的数据最大长度是64K(包含UDP首部)。
1.3 扩展问题
- UDP本身是无连接,不可靠,面向数据报的协议,如果要基于传输层UDP协议,来实现一个可靠传输,应该如何设计?
- UDP大小是受限的,如果要基于传输层UDP协议,传输超过64K的数据,应该如何设计?
以上两个问题,我们可以学习TCP的可靠性机制啊:
例如:
① 引入序列号,保证数据顺序;
② 引入确认应答,确保对端收到了数据;
③ 引入超时重传,如果隔一段时间没有应答,就重发数据;
④ ……
二、TCP 协议
TCP全称传输控制协议,必须对数据的传输进行控制。
2.1 报文格式
-
源端口号/目的端口号:表示数据从哪个进程来,要到那个进程去
-
32位序号:序号是
可靠传输
的关键因素。TCP将要传输的每个字节都进行了编号,序号是本报文段发送的数据组的第一个字节的编号,序号可以保证传输信息的有效性。比如:一个报文段的序号为300,此报文段数据部分共有100字节,则下一个报文段的序号为401。 -
32位确认序号:每一个ACK对应这一个确认号,它指明下一个期待收到的字节序号,表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当ACK标志为1时才有效。比如建立连接时,SYN报文的ACK标志位为0。
-
4位首部长度(数据偏移): 表示该TCP头部有多少个32位bit(有多少个4字节),所以TCP头部大长度是15 * 4 = 60。根据该部分可以将TCP报头和有效载荷分离。TCP报文默认大小为20个字节。
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6位标志位:
URG
: 它为了标志紧急指针是否有效。
ACK
:标识确认号是否有效。
PSH
: 提示接收端应用程序立即将接收缓冲区的数据拿走。
RST
:它是为了处理异常连接的, 告诉连接不一致的一方,我们的连接还没有建立好, 要求对方重新建立连接。我们把携带RST标识的称为复位报文段。
SYN
: 请求建立连接; 我们把携带SYN标识的称为同步报文段。
FIN
: 通知对方, 本端要关闭连接了, 我们称携带FIN标识的为结束报文段。 -
16位的紧急指针:按序到达是TCP协议保证可靠性的一种机制,但是也存在一些报文想优先被处理,这时就可以设置紧急指针,指向该报文即可,同时将紧急指针有效位置位1。
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16位窗口大小:如果发送方发送大量数据,接收方接收不过来,会导致大量数据丢失。然后接收方可以发送给发送发消息让发送方发慢一点,这是流量控制。接收方将自己接收缓冲器剩余空间的大小告诉发送方叫做16位窗口大小。发送发可以根据窗口大小来适配发送的速度和大小,窗口大小最大是2的16次方,及64KB,但也可以根据选项中的某些位置扩展,最大扩展1G。
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16位校验和:发送端填充,CRC校验。如果接收端校验不通过, 则认为数据有问题(此处的检验和不光包含TCP首部也包含TCP数据部分)。
2.2 可靠性机制
- TCP会尽自己最大的努力,将数据发送给对方
- 如果真的遇到发送不过去的情况,TCP至少会告诉发送进程,数据发送失败了
- 保证不会收到错误的数据(通过checksum)
- TCP能保证收到的数据一定是有序的(按照发送进程发送时的顺序)
- TCP会根据对方的接收能力和网络线路的承载能力,进行流量的控制
TCP做了哪些机制保证了可靠性?
- 确认应答机制
- 超时重传机制
- 连接管理机制
2.2.1 确认应答机制
接收方(对方的TCP)有责任对收到的数据进行确认(acknowledge) 应答。
TCP将每个字节的数据进行编号,即序列号。每一个ACK都带有对应的确认序列号,意思是告诉发送者,我已经收到了哪些数据;下一次你从哪里开始发。
2.2.2 超时重传机制
主机A发送数据给B之后,可能因为网络拥堵等原因,数据无法到达主机B;
如果主机A在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答,就会进行重发;
因此主机B会收到很多重复数据。那么TCP协议需要能够识别出那些包是重复的包,并且把重复的丢弃掉。
这时候我们可以利用前面提到的序列号,就可以很容易做到去重的效果。
TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信,因此会动态计算这个最大超时时间。
- Linux中(BSD Unix和Windows也是如此),超时以500ms为一个单位进行控制,每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍。
- 如果重发一次之后,仍然得不到应答,等待 2500ms 后再进行重传。如果仍然得不到应答,等待 4500ms 进行重传。依次类推,超时时间以指数形式递增。
- 累计到一定的重传次数,TCP认为网络或者对端主机出现异常,强制关闭连接。不会一直重传。
序列号去重。
超时时间递增。
不会一直重传。
2.2.3 连接管理机制
在正常情况下, TCP要经过三次握手建立连接
、四次挥手
断开连接,主要介绍TCP是如何建立和断开连接的。
-
三次握手
SYN 就是 TCP 中建立连接时的标识,ACK 是确认标识。首先主机A 和主机B 之间需要连接而客户端先发送一次 SYN,服务器就会返回一个 ACK,表示客户端要和服务器建立连接,然后服务器再给客户端发送一个 SYN,客户端在返回一个 ACK,表示服务器要和客户端建立连接,完成四次交互,就可以确保建立连接成功了,这是一个"双向奔赴"的过程。
而明明是四次交互,为什么被称为三次握手呢? 由于中间这两次 (SYN 和 ACK) 是一定会合二为一的,只需要把 ACK 和 SYN 同时置为1就可以了,因此被称为三次握手。
两次行不行?四次行不行? 四次可以,但是效率低,没有必要。每次传输的数据都需要进行一系列的封装和分用, 因此传输两次肯定要比传输一次慢很多。两次是绝对不行的,两次只能确定双方中一方的发送和接收能力正常,另一方就不清楚了,这是不满足可靠性。 -
四次挥手
FIN 是通知对方, 本端要关闭连接的结束报文段标识。这里四次挥手就是双方各自给对方发送 FIN,并在收到对方的 FIN 请求后回复一个 ACK。
三次握手的发起方一定是客户端,而四次挥手的发起方有可能是客户端,也有可能是服务器,而且三次握手中间两次是可以合并的,而四次挥手的中间两次是不一定能合并的,这里能否合并取决于 B 发送 ACK 和发送 FIN 的时机是否相同,相同的话是可以合并的,不相同的话是不能合并的。
而三次握手中服务器所发送的 SYN 和 ACK 都是由操作系统内核负责执行,收到客户端的 SYN 请求之后,会把 ACK 和 SYN 同一时间发送过去,这是同一时机发生的因此是可以合并的。
而四次挥手 B 给 A 发送的 ACK 是有操作系统内核负责的,而 FIN 请求只有当 B 中的代码执行到了 socket.close() 方法才会出发 FIN,如果这两操作中间间隔的时间比较短是可以合并的,间隔时间长就不能合并了,这是无法确定的,因此一般情况下都是四次交互过程,也就是四次挥手!
2.2.4 流量控制
接收端处理数据的速度是有限的。如果发送端发的太快,导致接收端的缓冲区被打满,这个时候如果发送端继续发送,就会造成丢包,继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。
因此TCP支持根据接收端的接收能力,来决定发送端的发送速度。这个机制就叫做流量控制(Flow Control
)。
- 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 “窗口大小” 字段,通过ACK端通知发送端;
- 窗口大小字段越大,说明网络的吞吐量越高;
- 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了,就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端;
- 发送端接受到这个窗口之后,就会减慢自己的发送速度;
- 如果接收端缓冲区满了,就会将窗口置为0;这时发送方不再发送数据,但是需要定期发送一个窗口探测数据段,使接收端把窗口大小告诉发送端
2.2.5 拥塞控制
有了TCP的窗口控制,收发主机之间即使不再以一个数据段为单位发送确认应答,也能够连续发送大量数据包。然而,如果在通信刚开始时就发送大量数据,也可能会引发其他问题。
一般来说,计算机网络都处在一个共享的环境。因此也有可能会因为其他主机之间的通信使得网络拥堵。在网络出现拥堵时,如果突然发送一个较大量的数据,极有可能会导致整个网络的瘫痪。
TCP引入 慢启动 机制,先发少量的数据,探探路,摸清当前的网络拥堵状态,再决定按照多大的速度传输数据。
因此TCP根据网络的承载能力,来决定传输速度。这个机制就叫做拥塞控制(Flow Control
)。
流量控制 vs 拥塞控制:
流量控制 | 拥塞控制 | |
---|---|---|
解决的是 | 发送方和接收方速率不匹配的问题 | 避免网络资源被耗尽的问题 |
实现方式 | 滑动窗口 | 拥塞窗口 |
2.2.6 滑动窗口
实际上 滑动窗口 就是 流量控制 的具体控制方式。
- 我们先在确认应答机制下讨论,对每一个发送的数据段,都要给一个ACK确认应答。收到ACK后再发送下一个数据段。这样做有一个比较大的缺点,就是性能较差。尤其是数据往返的时间较长的时候。
- 既然这样一发一收的方式性能较低,那么我们一次发送多条数据,就可以大大的提高性能(其实是将多个段的等待时间重叠在一起了)。
- 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值。上图的窗口大小就是4000个字节(四个段)。
- 发送前四个段的时候,不需要等待任何ACK,直接发送;
- 收到第一个ACK后,滑动窗口向后移动,继续发送第五个段的数据;依次类推;
- 操作系统内核为了维护这个滑动窗口,需要开辟 发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有应答;只有确认应答过的数据,才能从缓冲区删掉;
- 窗口越大,则网络的吞吐率就越高;
- 那么如果出现了丢包,如何进行重传?这里分两种情况讨论。
情况一:数据包已经抵达,ACK被丢了。
这种情况下,部分ACK丢了并不要紧,因为可以通过后续的ACK进行确认;
情况二:数据包就直接丢了
当某一段报文段丢失之后,发送端会一直收到 1001 这样的ACK,就像是在提醒发送端 “我想要的是 1001” 一样;
如果发送端主机连续三次收到了同样一个 “1001” 这样的应答,就会将对应的数据 1001 - 2000 重新发送;
这个时候接收端收到了 1001 之后,再次返回的ACK就是7001了(因为2001 - 7000)。接收端其实之前就已经收到了,被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中;
这种机制被称为 “高速重发控制”(也叫 “快重传”)。
2.3 粘包问题
首先要明确,粘包问题中的 “包” ,是指的应用层的数据包。
- 在TCP的协议头中,没有如同UDP一样的 “报文长度” 这样的字段,但是有一个序号这样的字段。
- 站在传输层的角度,TCP是一个一个报文过来的,按照序号排好序放在缓冲区中。站在应用层的角度,看到的只是一串连续的字节数据。
- 数据包的大小限制
TCP协议将数据分割成多个数据包进行传输,但是这些数据包的大小是有限制的。如果发送方的数据长度超过了一个数据包的大小,TCP会将其分割成多个数据包进行传输。而接收方在接收到这些数据包后,需要重新组装才能得到完整的数据。 - 数据包的传输延迟
由于网络传输的延迟,TCP协议可能会将多个数据包一起发送,这就导致了TCP粘包问题的出现。接收方在接收到这些数据包后,无法准确地判断每个数据包的边界,从而无法正确解析数据。
那么应用程序看到了这么一连串的字节数据,就不知道从哪个部分开始到哪个部分,是一个完整的应用层数据包。
那么如何避免粘包问题呢?归根结底就是一句话,明确两个包之间的边界。
- 对于定长的包,保证每次都按固定大小读取即可;例如上面的Request结构,是固定大小的,那么就从缓冲区从头开始按sizeof(Request)依次读取即可;
- 对于变长的包,可以在包头的位置,约定一个包总长度的字段,从而就知道了包的结束位置;
- 对于变长的包,还可以在包和包之间使用明确的分隔符(应用层协议,是程序猿自己来定的,只要保证分隔符不和正文冲突即可);
思考:对于UDP协议来说,是否也存在 “粘包问题” 呢?
- 对于UDP,如果还没有上层交付数据,UDP的报文长度仍然在。同时,UDP是一个一个把数据交付给应用层。就有很明确的数据边界。
- 站在应用层的站在应用层的角度,使用UDP的时候,要么收到完整的UDP报文,要么不收。不会出现"半个"的情况。
HTTP协议是如何解决粘包问题的?
- 报文长度字段
HTTP 协议在报文头部添加了一个 Content-Length 字段,用于指示报文的长度。接收方在接收到报文后,根据 Content-Length 字段来判断报文的边界,从而正确解析数据。 - 报文分割符
HTTP 协议还可以通过在报文中添加分割符来解决 TCP 粘包问题。发送方在发送数据时,在每个数据包之间添加一个分割符,接收方根据分割符来判断每个数据包的边界,从而正确解析数据。 - 短连接
HTTP 协议中的短连接也可以一定程度上解决 TCP 粘包问题。短连接指的是每次通信完成后立即关闭连接,这样可以避免多个请求在同一个连接上发送,从而减少了 TCP 粘包问题的发生。
三、TCP 和 UDP 的区别
相同点:
①都在传输层。
②协议格式都有端口号。
不同点:
TCP | UDP |
---|---|
TCP是面向连接的协议 | UDP是无连接的协议 |
TCP是可靠的协议 | UDP不可靠 |
TCP是面向字节流的 | UDP是面向报文的 |
TCP只提供一对一的服务 | UDP提供一对一、一对多、多对多的服务 |
TCP传输慢 | UDP传输快 |
TCP数据段头部是20字节 | UDP数据段头部是8字节 |
总结:
提示:这里对文章进行总结:
以上就是今天的学习内容,本文是计算机网络的学习,详细讲解了TCP和UDP的工作原理、各自的特点,以及三次握手和四次挥手。之后的学习内容将持续更新!!!
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