TCP与UDP浅谈

TCP

概念

TCP 传输控制协议（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

TCP在传输数据之前必须先建立连接，数据传输结束后要释放连接。
每一条TCP连接只能有2个端点，故TCP不提供广播或多播服务。
TCP提供可靠交付，通过TCP连接传输的数据，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。
TCP是面向字节流的。虽然应用进程和TCP的交互是一次一个数据块(大小不等），但TCP把英语程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流。TCP并不知道所传输的字节流的含义。

TCP数据封装在一个IP数据报中：

下图是TCP报文数据格式。TCP首部如果不计选项和填充字段，它通常是20个字节。

TCP端口状态说明

• LISTENING
  FTP服务启动后首先处于侦听（LISTENING）状态。

• ESTABLISHED
  ESTABLISHED的意思是建立连接。表示两台机器正在通信。

• CLOSE_WAIT
  对方主动关闭连接或者网络异常导致连接中断，这时我方的状态会变成CLOSE_WAIT 此时我方要调用close()来使得连接正确关闭。

• TIME_WAIT
  我方主动调用close()断开连接，收到对方确认后状态变为TIME_WAIT。

• SYN_SENT状态
  SYN_SENT状态表示请求连接，当你要访问其它的计算机的服务时首先要发个同步信号给该端口，此时状态为SYN_SENT，如果连接成功了就变为 ESTABLISHED，此时SYN_SENT状态非常短暂。

• SYN_RECV
  服务端收到建立连接的SYN没有收到ACK包的时候处在SYN_RECV状态.

TCP 三次握手

在TCP/IP协议中，TCP协议通过三次握手建立一个可靠的连接

1. 客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。
2. 服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （SEQ=y）ACK（ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。
3. 客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK（ACK=y+1）报文，进入Established状态。

ACK表示Acknowledgment Number确认号是否有效，一般置为1，ACK=0时，确认号无效。
PSH表示Push功能。
RST表示复位TCP连接。
SYN表示SYN报文（同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）），请求建立连接，并在其序列号的字段进行序列号的初始值设定。建立连接，设置为1。
FIN表示没有数据需要发送了（在关闭TCP连接的时候使用）。
Seq（Sequence Number）是发送数据包中的第一个字节的序列号，32位。

TCP 四次握手

建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次握手，这是由TCP的半关闭（half-close）造成的。

1. 某个应用进程首先调用close，称该端执行“主动关闭”（active close）。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。
2. 接收到这个FIN的对端执行 “被动关闭”（passive close），这个FIN由TCP确认。
   注意：FIN的接收也作为一个文件结束符（end-of-file）传递给接收端应用进程，放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后，因为，FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。
3. 一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。
4. 接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。

UDP

概念

UDP 用户数据报协议（User Datagram Protocol），是一种无连接、不可靠、快速传输的传输层协议。

（1）UDP是一个非连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
（2） 由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。
（3）UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。
（4） 吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。
（5）UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的链接状态表（这里面有许多参数）。
（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。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。

适用场合

在网络质量令人十分不满意的环境下，UDP协议数据包丢失会比较严重。但是由于UDP的特性：它不属于连接型协议，因而具有资源消耗小，处理速度快的优点，所以通常音频、视频和普通数据在传送时使用UDP较多，因为它们即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。比如我们聊天用的QQ就是使用的UDP协议。

协议对比

1. TCP面向连接（如打电话要先拨号建立连接）;UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接
2. TCP提供可靠的服务。也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达;UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付
3. TCP面向字节流，实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流;UDP是面向报文的
   UDP没有拥塞控制（），因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）
4. 每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信
5. TCP首部开销20字节;UDP的首部开销小，只有8个字节
6. TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道，UDP则是不可靠信道

UDP和TCP协议的主要区别是两者在如何实现信息的可靠传递方面不同。

• TCP协议中包含了专门的传递保证机制，当数据接收方收到发送方传来的信息时，会自动向发送方发出确认消息；发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其它信息，否则将一直等待直到收到确认信息为止。
• UDP协议并不提供数据传送的保证机制。如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据包的丢失，协议本身并不能做出任何检测或提示。因此，通常人们把UDP协议称为不可靠的传输协议。

TCP面试题

• 为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，“你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

• 为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态?

虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。

• 客户端突然挂掉了怎么办？

正常连接时，客户端突然挂掉了，如果没有措施处理这种情况，那么就会出现客户端和服务器端出现长时期的空闲。解决办法是在服务器端设置保活计时器，每当服务器收到客户端的消息，就将计时器复位。超时时间通常设置为2小时。若服务器超过2小时没收到客户的信息，他就发送探测报文段。若发送了10个探测报文段，每一个相隔75秒，还没有响应就认为客户端出了故障，因而终止该连接。