02 TCP/UDP特点、TCP可靠传输、TCP粘包拆包

爱被打了一巴掌 2023-03-04 09:27 14阅读 0赞

### 目录 ###

*   *   *   *  1. TCP和UDP特点区别？应用场景
             *  2. TCP的特性(TCP是什么)UDP的特性(UDP是什么)
             *  3. TCP怎么保证可靠传输的？
             *  4. TCP流量控制，拥塞控制
             *  5. TCP和UDP首部结构
             *  6. TCP粘包、拆包问题
             *  7. TCP 能有多少个连接？
             *  8. Socket通信过程

#### 1. TCP和UDP特点区别？应用场景 ####

*  TCP是传输控制协议；UDP是用户数据报协议
 *  TCP面向字节流；UDP面向报文。
 *  TCP是面向连接的，通信双方在交换数据前，必须先通过三次握手建立连接之后才能传输数据，在数据传输时，通过**确认应答、超时重传、滑动窗口、拥塞控制**等机制来保证数据传输的可靠性，数据传输慢；UDP面向非连接，不需要建立连接就能发送数据，目的主机收到UDP报文后也不需要给出确认，数据传输快。
 *  UDP的首部开销小，只有8个字节（TCP的首部至少有20个字节），包括源端口、目的端口、长度、检验和。
 *  TCP提供可靠的服务；UDP无法保证可靠。

**应用场景**：TCP适用于对效率要求低，但是对准确率要求高的场合(文件传输，邮件传输)；UDP适用于对效率要求高，对数据可靠性要求不是很高的场合(语音、视频)

#### 2. TCP的特性(TCP是什么)UDP的特性(UDP是什么) ####

*  TCP是传输控制协议，是面向字节流、面向连接的的。通信双方彼此交换数据前，必须先通过三次握手建立连接之后才能传输数据，数据传输慢。TCP提供的是可靠的服务。
 *  UDP是用户数据报协议，是面向报文、面向非连接的。不需要建立连接就能发送数据，数据传输快。UDP无法保证可靠的服务。

#### 3. TCP怎么保证可靠传输的？ ####

通过以下几种机制保证可靠传输

1.  **数据包校验**：检测数据包在传输过程中是否有变化， 若有， 则丢弃并且不作出响应， 这时 TCP 发送数据端超时后会重发数据；
2.  **对失序数据包重排序**：TCP 报文段作为 IP 数据报来传输， 而 IP 数据报的到达可能会 失序， 因此 TCP 报文段的到达也可能会失序。 TCP 将对失序数据进行重新排序， 然后才交给 应用层；
3.  **丢弃重复数据**：对于重复数据， 会丢弃；
4.  **确认应答**：当 TCP 收到来自 TCP 连接另一端的数据， 它将发送一个确认。 这个确认不是立 即发送， 通常将推迟几分之一秒；
5.  **超时重传**：当 TCP 发出一个报文段后， 会启动一个定时器， 等待目的端确认收到这个报文段。 如果不能及时收到一个确认， 将重发这个报文段；
6.  **流量控制**：发送方和接收方各有一个窗口，接收方通过 TCP 报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小，发送方根据这个值和拥塞情况来设置自己的窗口大小。发送窗口不能超过接收窗口的数值。TCP 通过滑动窗口进行流量控制，抑制发送端发送数据的速率，以便接收端来得及接收。
7.  **拥塞控制**：拥塞控制就是为了防止过多的数据注入到网络中， 防止网络中的路由器或链路过载。拥塞控制采用了四种算法， 即：慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复。

#### 4. TCP流量控制，拥塞控制 ####

**流量控制**： 指抑制发送端发送数据的速率，以便接收端来得及接收。是个**端到端**的问题。

**拥塞控制**： 指防止过多的数据注入网络，导致路由器或链路过载，是个**全局**性的过程，涉及所有主机和路由器。

*  TCP 利用滑动窗口实现流量控制。 流量控制是为了控制发送方的发送速率， 保证接收方来得及接收。 接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小， 从而影响发送方 的发送速率。 将窗口字段设置为 0， 则发送方不能发送数据。
 *  TCP的拥塞控制主要有四个算法：慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复。

**慢开始与拥塞避免：**

首先使用慢开始算法，发送方维持一个叫做拥塞窗口的状态变量（cwnd），一开始发送方设置 cwnd 的值为1，发送第1个报文段，当收到确认后，将 cwnd 的值乘以2，每个轮次都这样增长，也就是2,4,8,16… 为了防止增长过快导致网络拥塞，所以需要设置一个慢开始算法的阈值（ssthresh）。当 cwnd 小于这个阈值时，使用慢开始算法；当大于这个阈值时，改用拥塞避免算法，每次只将 cwnd 加1，控制为线性增长。如果出现了超时，就将阈值设为当前 cwnd 值的一半，同时设置 cwnd = 1，然后重新执行慢开始算法。

**快重传与快恢复：**

快重传算法要求接收方每次收到报文段都对最后一个收到的有序报文段进行确认。比如已经接收到 M1 和 M2，此时收到 M4，则应当发送对 M2 的确认。如果发送方重复收到三个对 M2 的确认，就表示 M2 的下一个报文段 M3 丢失了，立即重传 M3，而不必等待设置的重传计时器时间到期。这种情况只是丢失个别报文段，并不是网络拥塞，因此执行快恢复算法，令 阈值 = 当前 cwnd 值的一半 ，然后设置 cwnd = 阈值，接着执行拥塞避免算法。

慢开始和快恢复的快慢指的是 cwnd 的设定值，而不是 cwnd 的增长速率。慢开始 cwnd 设定为 1，而快恢复 cwnd 设定为 ssthresh。

#### 5. TCP和UDP首部结构 ####

TCP报文分为首部和数据两个部分。  
TCP首部至少有20个字节，前20个字节是固定的，后面有根据需要来增加的选项字段。

1.  源端口和目的端口：各占2个字节。
2.  序号：占4个字节，指的是报文段所发送数据的第一个字节的序号。
3.  确认号：占4个字节，指的是期望收到下一个报文所发送数据的第一个字节的序号。
4.  数据偏移：占4位，指TCP报文段数据开始处到TCP报文段开始处的距离，也就是TCP报文段的首部长度。因为TCP首部有长度不确定的选项字段，所以通过数据偏移来指出。
5.  保留：占6位，用于以后使用。
6.  6个控制位：分别是URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，用于说明报文段的性质。
7.  窗口：占2个字节，用来限制对方发送的数据量。
8.  检验和：占2个字节，检验TCP报文在传输中是否出错。需要在报文前面临时添加一个伪首部（12字节）来计算检验和。
9.  紧急指针：占2个字节，用于指出紧急数据的字节数。
10. 选项：长度可变，最多占40个字节。

UDP报文分为首部和数据两个部分。  
UDP的首部比TCP的小，只有8个字节（TCP的首部至少有20个字节），源端口、目的端口、长度、检验和，各占2个字节。

1.  源端口和目的端口：分别写入源端口和目的端口号。
2.  长度：指的是UDP报文的长度。
3.  检验和：检验UDP报文在传输中是否出错。需要在报文前面临时添加一个伪首部（12字节）来计算检验和。

伪首部是一个虚拟的数据结构，其中的信息是从数据报所在IP分组头的分组头中提取的，既不向下传送也不向上递交，而仅仅是为计算校验和。这样的校验和，既校验了TCP&UDP用户数据的源端口号和目的端口号以及TCP&UDP用户数据报的数据部分，又检验了IP数据报的源IP地址和目的地址。伪报头保证TCP&UDP数据单元到达正确的目的地址。因此，伪报头中包含IP地址并且作为计算校验和需要考虑的一部分。最终目的端根据伪报头和数据单元计算校验和以验证通信数据在传输过程中没有改变而且到达了正确的目的地址。

#### 6. TCP粘包、拆包问题 ####

**产生原因：**

1.  发送方的原因：在发送数据时，TCP默认使用 Nagle (妮狗)算法，将数据量较小的数据合成一个数据包进行发送，这样收到的就是一个粘包数据了。
2.  接收方的原因：TCP先用缓冲区来接收数据，如果接收数据的速度大于应用程序从缓冲区读取数据的速度，那多个包就会被缓冲区缓存在一起，发生粘包。如果数据大于缓冲区的大小，就会发生拆包。

**为什么TCP有粘包问题，而UDP没有？**

因为TCP以流的方式传输数据，把数据看成一连串无结构的字节流，数据包之间没有保护边界。而 UDP 的数据包之间有保护边界，接收方一次只接受一条独立的信息，所以不存在粘包问题。

**如何处理粘包、拆包问题？**

1.  发送端关闭 Nagle 算法。
2.  发送端将数据包封装为固定的长度，不够的话可以用 0 来填充，然后接收端每次从缓冲区读取这个固定长度的数据。
3.  给每个数据包添加一个消息头，消息头存储数据包的长度，接收端通过消息头解析出长度，然后向后读取该长度的内容。
4.  在数据包之间设置边界，比如添加特殊符号，这样接收端就可以通过这个边界将不同数据包分离开来。

**TCP端点**

（ 每一条 TCP 连接只能有两个端点，连接只能是端对端。TCP 连接的端点叫套接字（socket），IP地址通过冒号拼接上端口号就构成了套接字。套接字 = (IP地址 : 端口号） 。（比如IP地址为 192.3.4.5，端口号为80，则拼接出的套接字为 192.3.4.5:80）。提供全双工通信，允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据）

#### 7. TCP 能有多少个连接？ ####

客户端65535，服务端2的48次方  
客户端IP的上限乘以每个客户端发起连接的上限。2的32次方乘以2的16次方。

#### 8. Socket通信过程 ####

*  服务器：创建一个socket，bind一个句柄（端口和地址），listen设置监听的客户数，accept客户端的句柄，读写。
 *  客户机：创建一个socket，connect到服务器，读写操作。