java基础之网络基础tcp\udp

爱被打了一巴掌 2022-06-08 06:47 174阅读 0赞

看到有人说TCP/IP协议与UDP协议的区别被一群人吐槽了，网络编程的知识仅仅是在以前学习java基础中的socket编程中写的一个小的聊天室，这里回顾下一些基础的网络知识。

> 首先说下为什么被吐槽，因为TCP/IP叫做网络通讯协议，是一个协议族，并不是表面上指TCP和IP，其中包含了TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNET、FTP、SMTP、ARP、TFTP等协议。下面着重的梳理下tcp和udp的知识和它们之间的区别。‘’

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## 在这之前先看下OSI的七层模式： ##

![这里写图片描述][20170928103536634]

数据从应用层发下来，会在每一层都会加上头部信息，进行封装，然后再发送到数据接收端。这个是基本的流程，就是每个数据都会经过数据的封装和解封装的过程。

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而每一层的作用和对应的协议如下：

![这里写图片描述][20170928103850927]

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因为通常web编程使用的都是tcp协议，所以这里再详细的看下tcp协议头部的格式：

**源端口和目标端口**（Source Port和Destination Port）： 各两个字节，表示源端口号和目的端口号，配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能确定唯一TCP连接

**封包序号**（Sequence Number）：四个字节，如果TCP数据太大时，需要进行分段，封包序号就是记录每个封包的序号，可以让接收端重新将tcp的数据组合在一起（序号字段的值则指的是本报文所发送的数据的第一个字节的序号），主要用来解决网络报乱序的问题

**确认号**（Acknowledgment Number）：确定序列号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号，确认序号是上次已成功收到数据字节序号加一，主要用来解决不丢包的问题

**数据偏移**（Offset）：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，最多可以有60字节的tcp头部

**状态控制码**（TCP Flags）：占六比特，含义如下：

*  URG：紧急比特，会加急传送数据（相当于高优先级的数据）
 *  ACK：确认比特，当为1的时候代表这个封包为确认封包，当为0时，确认号无效
 *  PSH：表示PUSH操作，当为一的时候，表示无需缓冲满才发送封包
 *  RST：复位比特，当为1时，表示连接出现严重差错，必须释放连接，然后重新建立运输连接
 *  SYN：同位比特，当为1时，表示主动要求连接到对方
 *  FIN：终止比特，用来释放一个连接，当为1时，表示数据发送完毕，并要求释放运输连接

**滑动窗口**（Window）：占两个字节，用来进行流量控制，比较复杂，看不懂

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## TCP ##

是面向连接的协议，包含了建立和拆除连接，说到这里就不得不说tcp的三次握手和四次分手（真是缠绵啊）。

**这里通俗的理解下三次握手：**

![这里写图片描述][20170921094526250]

客户端：hi，吃了么？
    服务端：吃了，你呢？
    客户端：还没有。

三次对话的目的是同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP窗口大小信息，三次对话之后，才开始发送数据。防止了服务器端的一直等待而浪费资源

**三次握手的详细过程如下：**

*  第一次握手：建立连接，客户端发送连接请求报文段，将SYN位置为1，Sequence Number为x，然后，客户端进入SYN\_SEND状态，等待服务器的确认
 *  第二次握手：服务器收到SYN报文段，服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置Acknowledgment Numer为x+1,同时，自己还要发送SYN请求信息，将SYN位置为1，Sequence Number为y,服务器将上述所有信息放到一个报文段，一并发送给客户端，此时服务器进入到SYN\_RECV状态
 *  第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文段，然后将Acknowledgment Numer设置为1，向服务器发送ACK报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务端都进入到ESTABLISHED状态，完成三次握手

**四次分手过程**：（这里客户端也可以使服务端）

![这里写图片描述][20170921094507556]

客户端：表示没有数据要发送
    服务端：同意关闭请求
    服务端：请求关闭连接
    客户端：同意关闭

**四次分手的详细过程：**

*  第一次分手：主机1（客户端或者服务端）设置Sequence Numer和Acknowledgment Number，向主机2发送一个FIN报文段，此时，主机1进入到FIN\_WAIT\_1状态，这表示主机1没有数据要发送给主机2了
 *  第二次分手：主机2收到了主机1发送的FIN报文段，向主机1回一个ACK报文段，Acknowledgment Number为Sequence Number加1，主机1进入FIN\_WAIT\_2状态，主机2告诉主机1同意关闭请求
 *  第三次分手：主机2向主机1发送FIN报文段，请求关闭连接，同时主机2进入LAST\_ACK状态
 *  第四次分手：主机1收到主机2发送的FIN报文段，向主机2发送ACK报文段，然后主机1进入到TIME\_WAIT状态，主机2收到主机1的ACK报文段后就关闭了连接，此时主机1等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端正常关闭，主机1也可以关闭连接

**为什么要进行四次分手：**

首先TCP协议是一中面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议，TCP是全双工模式，这就意味着，当主机1发出FIN报文段时，只是表示主机1已经没有数据要发送了，主机1告诉主机2，它的数据已经全部发送完毕了，但是这个时候主机1还是可以接受来自主机2的数据，当主机2返回ACK报文段时，表示它已经知道主机1没有数据要发送了，就会告诉主机1也没有数据要发送了，之后就会中断TCP的连接。

**其中的状态码：**

*  FIN\_WAIT\_1: 这个状态要好好解释一下，其实FIN\_WAIT\_1和FIN\_WAIT\_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是：FIN\_WAIT\_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该SOCKET即进入到FIN\_WAIT\_1状态。而当对方回应ACK报文后，则进入到FIN\_WAIT\_2状态，当然在实际的正常情况下，无论对方何种情况下，都应该马上回应ACK报文，所以FIN\_WAIT\_1状态一般是比较难见到的，而FIN\_WAIT\_2状态还有时常常可以用netstat看到。（主动方）
 *  FIN\_WAIT\_2：上面已经详细解释了这种状态，实际上FIN\_WAIT\_2状态下的SOCKET，表示半连接，也即有一方要求close连接，但另外还告诉对方，我暂时还有点数据需要传送给你(ACK信息)，稍后再关闭连接。（主动方）
 *  CLOSE\_WAIT：这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己，你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE\_WAIT状态。接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以 close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，也即关闭连接。所以你在CLOSE\_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接。（被动方）
 *  LAST\_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的，它是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，也即可以进入到CLOSED可用状态了。（被动方）
 *  TIME\_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FINWAIT1状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME\_WAIT状态，而无须经过FIN\_WAIT\_2状态。（主动方）
 *  CLOSED: 表示连接中断。

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> 从三次握手和四次分手就可以看的出tcp面向连接的通讯方式大大提高了数据通信的可靠性，使发送数据端和接收端正式传输就有了交互，为数据的正式传输打你下了可靠的基础。
> 
> 其中TCP协议使用TCP头部的seq num + ack机制可以保证顺序性

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## UDP ##

**主要有下面六个特点：**

1、udp是一个非连接的协议，传输数据之前两个终端不建立连接，udp每次把消息放在队列中，应用程序每次从队列中读取一个消息段、  
2、由于不建立连接所以不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务器可以同时收到多个客户端的信息。  
3、udp信息的标题很短只有8个字节，相比tcp20个字节信息包的额外开销很小。  
4、吞吐量不在受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输宽带、源端和终端主机性能的限制。  
5、udp使用尽量努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要位置复杂的连接状态表。  
6、udp是面向报文的，发送方的udp对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。

通过上面的特点可以看出udp应用的场景如下：

*  面向数据报方式
 *  网络数据大多为短消息
 *  拥有大量Client
 *  对数据安全性无特殊要求
 *  网络负担非常重，但对于相应速度要求非常高

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## 下面分析下tcp和udp的主要区别： ##

*  两个分别是基于连接和无连接
 *  对系统资源的要求
 *  udp程序结构比较简单
 *  流模式和数据报模式
 *  tcp能够保证数据正确性、不丢失、无重复且按照顺序到达，udp尽最大努力交付，可能会丢失。
 *  tcp连接只能是一对一的，但是udp可以进行一对一、一对多、多对多的实现
 *  tcp实际上将数据看做一连串无结构的字节流，udp是报文的形式，没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送率降低，对于实时的应用是非常有效的。
 *  。。。。

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以上就是关于tcp和udp知识的一个简单的回顾。还有一篇非常好的文章：[连接][Link 1]

[20170928103536634]: /images/20220608/9fdf68e57e0c43fc8656691777b84937.png
[20170928103850927]: /images/20220608/6e5664e922bf408f8eb78d348b2333ba.png
[20170921094526250]: /images/20220608/9910e0837a7e45f4a43e95b235eac00e.png
[20170921094507556]: /images/20220608/efc2932f60d84b8d9e62d7101f62f715.png
[Link 1]: http://javarevisited.blogspot.com/2014/07/9-difference-between-tcp-and-udp-protocol.html