UDP/TCP协议知识及相关机制

一.UDP协议

UDP是一种无连接、不可靠、面向报文、全双工传输层的协议~

1.无连接：知道对端的端口号和IP可以直接传输，不需要建立连接

2..不可靠：没有确认机制，没有重传机制，不知道数据包能否能正确到达对端（丢包）！

3.面向数据报：应用层交给UDP多长的报文，UDP原样发生，既不发生拆分，也不发生合并！

4.全双工：通信双方既可以发送数据也可以接受数据~

UDP协议的格式

校验和：用于保证数据在传输过程中没有被破坏~，但是不能够确定这个数据100%正确~~

如果校验和验证失败，通常接收端会丢弃这个UDP数据包

UDP的报文是由8字节的报头和数据的大小~

这个16位UDP长度~~包含报头和数据~~

理论上这个UDP数据报最大的长度为2^16=65535的字节~~也就越等于64KB~~

那么UDP数据报能传输多少数据~

65535 - 20(IP协议的头部)- 8（UDP头部） = 65507字节

因为UDP协议时承载在IP包里的！

看下图！👇

二.TCP协议

TCP是一种有连接、可靠、面向字节流、全双工的传输层的协议

可靠性：不是指的百分百可靠~~有几率会出错~

面向字节流：TCP协议将数据视为一个连续的字节流，不关心数据的边界。接收方只关注字节流的顺序和内容，而不关心数据是如何分割成不同的段发送的~~也就是说数据可以被分割成很多份来进行发送

TCP协议的格式

报头和载荷部分~~

这个TCP协议的格式中的相关内容，我们从讲解TCP协议中的相关机制来进行引入~~

序列号

序列号：序列号标识每个字节在数据流中的位置~~用来确保数据正确发送，不会出现错乱~

以发消息为例~假如你现在正在发送消息。

现在你要给对端发送消息~~.这个消息会以服务器为中介，进而把消息发送到对端~~

但是因为TCP是面向字节流的，而且传输路径也会有差异~所以数据到达对端的时间也会不同~

为了防止其出现错乱，所以引入了序列号，用来确保数据的正确位置~

确认应答

确认应答是用来确保数据可靠性一种机制

ACK：表示确认号是否有效：0表示无效，1表示有效。此时这里为1

由上述图可得~~

发送方给接收方发送了1~1000个数据，接收方给发送方返回了ACK，表示1~1000的数据我都接收到了，此时发送方就可以发送1001~2000的数据了~~依次持续！！

超时重传

超时重传确保数据可靠性的机制。顾名思义：如果某个数据发生了丢包这种情况，等待了一会，还是没有这个包，就会发生重传~~

为什么会发生丢包问题？

在实际的互联网环境中，链路可能拥塞，路由器可能丢包，物理线路也可能出现短暂故障，导致数据丢失~

1.发送方发生丢包问题~~

2.接收方返回ack时发生丢包问题~~

这张图，你是不是发现了一个问题~~主机B收到了两次1-1000的数据包~~这就有问题了~~

例如：这场景如果发生在扣款的过程中，如果已经了扣了一次款，但没有接收到应答~，就又扣了一次款~你的钱包就会默默得少了~~哈哈

看下图~~

注意：接收缓冲区不仅可以进行去重，也可以进行排序~~

那么超时重传的时间应该如何确定~~

如果超时时间设得太长~会影响整体得重传效率~~如果超时时间设置的太短，又可能会频繁发送重复的包~~所以我们需要确保重传的时间~~

TCP为了保证效能~~会动态地计算这个最大超时时间~~

在Linux中，超时以500ms为一个单位来进行控制~~，每次判定地超时时间都是500ms地整数倍~~如果重发一次之后，接收不到应答~~会等待2*500ms来进行重传~~此时，还没又接收到应答~·等待4*500ms进行重传~~依次类推~~如果仍然接收不到~~TCP会强制关闭连接~~

连接管理

1.三次握手（建立连接）

三此握手的意义

1.三次握手，可以针对通信路径，进行投石问路~~初步的确认一下通信链路是否

畅通~~

2.三次握手，也在验证通信双方，发送能力和接收能力是否正确~~

3.三次握手在过程中也会协商一些必要的参数~~例如：初始序列号、窗口大小、MSS（控制报文中的最大长度）

2.四次挥手（断开连接）

这次以客户端为例，服务器也可以进行断开连接~~

客户端给服务器发送fin表示数据发送完了，我想断开连接~

服务器接收到之后，给客户端返回ack

服务器给客户端发送fin ，表示我这帮也处理完了，可以断开连接~~

客户端给服务器返回ack，服务器接收到之后，成功断开连接~~

你们是不是有个问题~~中间的fin和ack能不能合并成一条~~直接发送给客户端

被动断开连接的中仍然需要一些时间继续发送未完成的数据~~

所以ack和fin中有时间间隔~~不能简单合并~~

如果说服务器挂了，也可以触发四次挥手~~

滑动窗口

滑动窗口是来优化TCP协议传输数据的效率~~如果像之前一样你每发送1字节的数据，都需要ack，依次往后推！这样效率就会太慢了~~所以引入了滑动窗口的机制~

滑动窗口~

是通过批量传输~~，现在先发一个数据，不等ack，再发下一个，继续往下发，连续发送了一定的数据之后统一等一波ack~~

如果出现了丢包情况~~应该怎么处理？

接收方出现丢包~~

发送方发生丢包~~

假如说1~1000的数据发生了丢包~~主机B给A返回的ack就一直是0，但同时主机B记录着后序的数据包的序号，只要主机A重传之后丢失的数据包~~，主机B便会返回ack就是主机A上一个序号+1

流量控制

接收端处理数据的速度是有限的，如果发送端数据发送的过快，导致接受端的缓冲区被打满，这个时候如果发送端继续发送，就会造成丢包~继而会引起丢重传等一系列的连锁反应

所以引入流量控制的机制~~

接受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块满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端~

发送端接收到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度~

如果接收缓冲区满了，就会将窗口设置为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，使接受端把窗口大小告诉对端~~

拥塞控制

拥塞控制是指：防止网络中的数据太多，造成网络链路拥堵，从而导致整体通信性能下降的一套机制~~

1.TCP中引入慢启动机制，刚开始窗口的大小是0，先发少量的数据~~如果传输的数据，没有出现丢包~然后就要增大窗口大小~~增大方式是按照指数来增长~~

2.指数增长，不会一直持续保持的~~可能会增长太快~，一下子就导致

网络拥堵~~引入一个阈值之后，指数增长就变成了线性增长~

3.线性增长也是一直再增长，积累一段时间之后，传输的速度可能过快~~从而导致了丢包~~就会触发快速重传~~进行乘法减少~~这里假设设置直接减少为原来一般~~

4.然后进入恢复阶段，继续线性增长~~