计算机网络 | TCP和UDP的一些问题

本来就看看TCP和UDP区别，结果坑越挖越多，一下午就没了；以下是整理的三手资料

报文、帧、数据包等的区别

应用层：报文（message），一般指完整的信息，传输层实现报文交付，位于应用层的信息分组称为报文；

传输层：报文段（segment），组成报文的每个分组；

网络层：分组（packet）是网络传输中的二进制格式单元，数据包（datapacket）是TCP/IP通信协议传输中的数据单位；通过网络传输的数据基本单元，包含一个报头和数据本身，其中报头描述了数据的目的地及其与其他数据之间的关系，可以理解为数据传输的分组，我们将通过网络传输的基本数据单元称为数据报（Datagram）；

链路层：帧（frame），数据链路层的协议数据单元，为了保证数据的可靠传输，把用户数据封装成帧；

物理层：PDU（bit），协议数据单元；

抓包，抓到的是传输层的包，packet/frame/Datagram/segment是存在于同条记录中的，这些是基于所在协议层的不同取了不同的名字。

转自 https://blog.csdn.net/laoqiuge/article/details/53585935

TCP/IP协议簇

TCP/IP协议是一个协议簇。里面包括很多协议的。UDP只是其中的一个
TCP/IP协议集包括应用层,传输层，网络层，网络访问层
应用层包括:

• 超文本传输协议(HTTP):万维网的基本协议
• 文件传输(TFTP简单文件传输协议)
• 远程登录(Telnet),提供远程访问其它主机功能,它允许用户登录 internet主机,并在这台主机上执行命令.
• 网络管理(SNMP简单网络管理协议),该协议提供了监控网络设备的方法,以及配置管理,统计信息收集,性能管理及安全管理等.
• 域名系统(DNS),该系统用于在internet中将域名及其公共广播的网络节点转换成IP地址

传输层就是TCP和UDP

网络层包括:

• Internet协议(IP)
• Internet控制信息协议(ICMP)
• 地址解析协议(ARP)
• 反向地址解析协议(RARP)

网络访问层:
网络访问层又称作主机到网络层(host-to-network).网络访问层的功能包括IP地址与物理地址硬件的映射,以及将IP封装成帧.基于不同硬件类型的网络接口,网络访问层定义了和物理介质的连接.

TCP和UDP的区别

这个问题其实挺大，先从冗长的解释入手：

UDP(User Datagram Protocol)
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，立刻按照原样发送到网络上的一种机制。 即使是出现网络拥堵的情况下，UDP也无法进行流量控制等避免网络拥塞的行为。此外，传输途中如果出现了丢包，UDO也不负责重发。甚至当出现包的到达顺序乱掉时也没有纠正的功能。如果需要这些细节控制，那么不得不交给由采用UDO的应用程序去处理。换句话说，UDP将部分控制转移到应用程序去处理，自己却只提供作为传输层协议的最基本功能。UDP有点类似于用户说什么听什么的机制，但是需要用户充分考虑好上层协议类型并制作相应的应用程序。

TCP(Transmission Control Protocol)
TCP充分实现了数据传输时各种控制功能，可以进行丢包的重发控制，还可以对次序乱掉的分包进行顺序控制。而这些在UDP中都没有。此外，TCP作为一种面向有连接的协议，只有在确认通信对端存在时才会发送数据，从而可以控制通信流量的浪费。TCP通过检验、***、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。

TCP和UDP的报文结构是不同的，报文结构决定了功能的不同，功能的不同决定了应用场景的不同。

先从报文结构看，

以下分别为TCP和UDP

1. 源端口和目的端口: 各占 2 个字节，分别写入源端口号和目的端口号。这和 UDP 报头有类似之处，因为都是运输层协议。
2. 序号: 占 4字节序，序号范围[0，2^32-1]，序号增加到 2^32-1 后，下个序号又回到 0。 TCP 是面向字节流的，通过 TCP传送的字节流中的每个字节都按顺序编号，而报头中的序号字段值则指的是本报文段数据的第一个字节的序号。
3. 确认序号: 占 4字节，期望收到对方下个报文段的第一个数据字节的序号。
4. 数据偏移: 占 4 位，指 TCP 报文段的报头长度，包括固定的 20字节和选项字段。
5. 保留: 占 6 位，保留为今后使用，目前为 0。
6. 控制位: 共有 6 个控制位，说明本报文的性质，意义如下： URG紧急:当 URG=1 时，它告诉系统此报文中有紧急数据，应优先传送(比如紧急关闭)，这要与紧急指针字段配合使用。 ACK 确认:仅当ACK=1 时确认号字段才有效。建立 TCP 连接后，所有报文段都必须把 ACK 字段置为 1。 PSH 推送:若 TCP 连接的一端希望另一端立即响应，PSH 字段便可以“催促”对方，不再等到缓存区填满才发送。 RET 复位:若 TCP连接出现严重差错，RST 置为 1，断开 TCP 连接，再重新建立连接。 SYN 同步:用于建立和释放连接，稍后会详细介绍。 FIN终止:用于释放连接，当 FIN=1，表明发送方已经发送完毕，要求释放 TCP 连接。
7. 窗口: 占 2 个字节。窗口值是指发送者自己的接收窗口大小，因为接收缓存的空间有限。
8. 检验和: 2 个字节。和 UDP报文一样，有一个检验和，用于检查报文是否在传输过程中出差错。
9. 紧急指针: 2 字节。当 URG=1时才有效，指出本报文段紧急数据的字节数。
10. 选项: 长度可变，最长可达 40 字节。具体的选项字段，需要时再做介绍。

(1)源端口 2 字节 在对方需要回信时可用，不需要时可以全 0；
(2)目的端口 2 字节 必须，也是最重要的字段；
(3)长度 2 字节 长度值包括报头和数据部分；
(4)校验和 2 字节 用于检验 UDP 数据报在传输过程中是否有出错，有错就丢弃。

再看功能

从报文头可以看出，TCP独有的序号与偏移字段（确保顺序并防止丢包）、窗口（拥塞）、ACK（连接）

TCP
1. TCP提供可靠的数据传输服务，TCP是面向连接的，即数据在通信之间要先建立连接，结束通信时要释放连接，这也是后面所说的3次握手，4次挥手；
2. TCP是点对点的连接方式，即一条TCP连接两端只能是两个端点；
3. TCP提供可靠的，无差错的，不丢失，不重复，按顺序的服务；
4. TCP提供全双工通信，允许通信双方任何时候都能发送数据，TCP在连接的两端都设置有发送缓存和接收缓存；
5. TCP是面向字节流的，TCP传输的数据是一个一个字节的按序传输的，数据块与数据块之间没有边界信息，对于TCP来说，所有数据都是一样的，TCP不能区分数据的意义。

这里的面向字节流，也是指数据部分，在Server看来是一段段字节。
好比你通过TCP连接给另一端发送数据，你只调用了一次write，发送了100个字节，但是对方可以分10次收完，每次10个字节；你也可以调用10次write，每次10个字节，但是对方可以一次就收完。（假设数据都能到达）但是，你发送的数据量不能大于对方的接收缓存（流量控制），如果你硬是要发送过量数据，则对方的缓存满了就会把多出的数据丢弃。

UDP
1. UDP 是无连接的，发送数据之前不需要建立连接(而 TCP 需要)，减少了开销和时延。
2. UDP**尽最大努力交付**，不保证交付可靠性。
3. UDP 是面向报文的，对于从网络层交付下来的 IP 数据报，只做很简单的封装(8 字节 UDP 报头)，首部开销小。
4. UDP 没有拥塞控制，出现网络拥塞时发送方也不会降低发送速率。这种特性对某些实时应用是很重要的，比如 IP 电话，视频会议等，它们允许拥塞时丢失一些数据，因为如果不抛弃这些数据，极可能造成时延的累积。
5. UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

这里的面向报文，也就是数据报模式，是指UDP的数据部分都是一个完整报文，因为没有序号、偏移量等字段指示，是没办法像TCP那样拼接的。
在接收的时候，每次最多只能读取一个报文，报文和报文是不会合并的，如果缓冲区小于报文长度，则多出的部分会被丢弃。

最后看应用场景

UDP应用场景：

1. 面向数据报方式
2. 网络数据大多为短消息
3. 拥有大量Client
4. 对数据安全性无特殊要求
5. 网络负担非常重，但对响应速度要求高

TCP3次握手，4次挥手。

那么为什么2次握手不行，4次握手不好？

1. 如果采用2次，无法保证全双工连接，浪费资源。使用反证法，假设采用2次，那么，
   Client——>Server 成功；Server打开端口，准备接收；
   Server——>Client 报文丢失；而Client一直等待Server的报文，等报文到再发送。
2. 4次没必要，3次已经保证了那个时段的全双工。

那为什么挥手要4次？

因为Server——>Client不能像准备建立连接那样快速，断开连接有一定的延时，因为我还有话要说，所以需要先发一条确认收到断开连接请求安抚Client，免得Client一直烦Server。

挥手4次后，为什么Client会保持2MSL（Maximum Segment Lifetime，MSL=30s~120s）的监听后关闭？

原因一：可靠的实现TCP全双工连接的终止
如果客户端在接收到服务器端的FIN后，发送的ACK分组在通路中丢失，由于超时重传机制，服务器端没有接受到来自客户端的应答，所以重新发送FIN，这时总共经历的时间最大可能为2MSL，当第二个FIN到达时，保证在客户端维护必要的状态信息，确保能够发送最终的ACK，保证两边都能够关闭。

原因二：允许老的重复分节在网络中消逝
如果关闭一个链接后，马上建立新的链接，这个链接的IP地址和端口号和刚关闭的链接相同，这时候如果上一个链接中重复的分节没有消逝，这时这个重复的分节就有可能被新的链接接收，所以为了防止旧链接中的分节能够消逝，不影响新链接，将TIME_WAIT设置为2倍的MSL。

整个过程就是读写权限的设置，发送FIN就是关闭自己的写权限，发送ACK就是关闭自己的读权限。

TCP和UDP通信的过程（结合函数解释）

TCP:
TCP编程的服务器端一般步骤是：
　　1、创建一个socket，用函数socket()；
　　2、设置socket属性，用函数setsockopt(); * 可选
　　3、绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind();
　　4、开启监听，用函数listen()；
　　5、接收客户端上来的连接，用函数accept()；
　　6、收发数据，用函数send()和recv()，或者read()和write();
　　7、关闭网络连接；
　　8、关闭监听；

TCP编程的客户端一般步骤是：
　　1、创建一个socket，用函数socket()；
　　2、设置socket属性，用函数setsockopt();* 可选
　　3、绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind();* 可选
　　4、设置要连接的对方的IP地址和端口等属性；
　　5、连接服务器，用函数connect()；
　　6、收发数据，用函数send()和recv()，或者read()和write();
　　7、关闭网络连接；

UDP:
与之对应的UDP编程步骤要简单许多，分别如下：
　　UDP编程的服务器端一般步骤是：
　　1、创建一个socket，用函数socket()；
　　2、设置socket属性，用函数setsockopt();* 可选
　　3、绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind();
　　4、循环接收数据，用函数recvfrom();
　　5、关闭网络连接；

UDP编程的客户端一般步骤是：
　　1、创建一个socket，用函数socket()；
　　2、设置socket属性，用函数setsockopt();* 可选
　　3、绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind();* 可选
　　4、设置对方的IP地址和端口等属性;
　　5、发送数据，用函数sendto();
　　6、关闭网络连接；