通信協(xié)議技術(shù)：TCP、UDP，流量控制，擁塞控制詳解

一、TCP

TCP首部

流量控制

擁塞控制

三次握手，四次揮手

tcp 怎樣保證數(shù)據(jù)正確性？

流量控制是為了讓接收方能來得及接收，而擁塞控制是為了降低整個網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度

1、TCP首部

源端口號 目標(biāo)端口號 32位序列號 32位確認(rèn)號 首部長度（單位為4字節(jié)，默認(rèn)為5，即20字節(jié)） 保留位（6位）

6個控制位（SYN、ACK、FIN、PUSH、URG、RST）? SYN：同步序號位，TCP建立連接時要將這個值設(shè)為1 ACK：為1表示確認(rèn)號? FIN：發(fā)送端完成位，提出斷開連接的一方把FIN置為1表示要斷開連接? PUSH：急迫位，緩存區(qū)將滿，立刻傳輸速度? RST：重置位，連接斷了重新連接? URG：緊急信號 ? 16位窗口大?。航邮沾翱诖笮。髁靠刂剖褂?，如果窗口大小為0，可以發(fā)送窗口探測 ? 16位校驗和：校驗和用來做差錯控制，TCP校驗和的計算包括TCP首部、數(shù)據(jù)和其它填充字節(jié)。在發(fā)送TCP數(shù)據(jù)段時，由發(fā)送端計算校驗和，當(dāng)?shù)竭_(dá)目的地時又進行一次檢驗和計算。如果兩次校驗和一致，說明數(shù)據(jù)是正確的，否則將認(rèn)為數(shù)據(jù)被破壞，接收端將丟棄該數(shù)據(jù) ? 16位緊急指針：僅在URG控制位為 1 時有效。表示緊急數(shù)據(jù)的末尾在 TCP 數(shù)據(jù)部分中的位置。通常在暫時中斷通信時使用（比如輸入 Ctrl + C）

2、流量控制

流量控制，就是讓發(fā)送方的發(fā)送速率不要太快，要讓接收方來得及接收

利用滑動窗口機制可以很方便地在tcp連接上實現(xiàn)對發(fā)送方的流量控制

TCP接收方利用自己的接收窗口的大小來限制發(fā)送方發(fā)送窗口的大小

重傳計時器

TCP發(fā)送方收到接收方的零窗口通知后，應(yīng)啟動持續(xù)計時器。持續(xù)計時器超時后，向接收方發(fā)送零窗口探測報文

即使接收窗口為0，接收方也會接收：零窗口探測報文段、確認(rèn)報文段、攜帶緊急數(shù)據(jù)的報文段

TCP發(fā)送方的發(fā)送窗口大小 = Math.min(自身擁塞窗口大小, TCP接收方的接收窗口大小)

3、擁塞控制

什么是擁塞

假定條件

數(shù)據(jù)是單方向發(fā)送，而另一方向只傳送確認(rèn) 接收方總是有足夠大的緩存空間，因而發(fā)送方發(fā)送窗口的大小由網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度來決定 以最大報文段MSS的個數(shù)為討論問題的單位，而不是以字節(jié)為單位

慢開始 + 擁塞避免算法

MSS：TCP最大報文段?

ssthresh：慢開始門限?

cwnd：擁塞窗口?

swnd：發(fā)送窗口?

rtt：每次往返時間

快重傳

慢開始 + 擁塞避免算法中，發(fā)送方把擁塞窗口cwnd又設(shè)置為1，并錯誤地啟動慢開始算法，降低了傳輸效率

收到3個重復(fù)確認(rèn)

接收方收到失序的報文段，立即發(fā)出重復(fù)確認(rèn) 發(fā)送方收到3個連續(xù)的重復(fù)確認(rèn)，立即重傳

快恢復(fù)

慢開始 + 擁塞避免+快重傳 + 快恢復(fù)結(jié)合

4、三次握手，四次揮手

4.1 三次握手

發(fā)送端：SYN=1、seq=x 接收端：ACK=1、ack=x+1、SYN=1、seq=y 發(fā)送端：ACK=1、ack=y+1、seq=x+1 ? TCP規(guī)定：SYN被設(shè)置為1的報文段不能攜帶數(shù)據(jù)，但要消耗掉一個序號 TCP規(guī)定：普通的確認(rèn)報文段如果不攜帶數(shù)據(jù)，則不消耗序號 ?

4.2 四次揮手

發(fā)送端：FIN=1，ACK=1，seq=u，ack=v（u等于發(fā)送端已傳送過的數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)序號+1，v等于發(fā)送端之前已收到的數(shù)據(jù)的最后一字節(jié)序號+1） 接收端：ACK=1，ack=u+1，seq=v 接收端：FIN=1，ACK=1，ack=u+1，seq=w（w：半關(guān)閉情況下，可能收到了數(shù)據(jù)） 發(fā)送端：ACK=1，ack=w+1，seq=u+1

TCP規(guī)定：終止位FIN等于1的報文段，即使不攜帶數(shù)據(jù)，也要一個消耗掉一個序號 MSL：最長報文段壽命，建議為2分鐘

為什么要等待2MSL？

如果接收端發(fā)送FIN連接釋放，發(fā)送端接收后發(fā)送ACK，如果丟失，會導(dǎo)致接收端超時重傳，而無法進入CLOSED狀態(tài)

4.3 保活計時器

4.4 半連接隊列

服務(wù)器第一次收到客戶端的 SYN 之后，就會處于 SYN_RCVD 狀態(tài)，此時雙方還沒有完全建立其連接，服務(wù)器會把此種狀態(tài)下請求連接放在一個隊列里，我們把這種隊列稱之為半連接隊列。

4.5 三次握手能不能改成兩次握手？

不能 TCP發(fā)送連接請求，但長時間沒到達(dá)，然后觸發(fā)了超時重傳 又發(fā)送了一次，后建立連接，數(shù)據(jù)傳輸，并斷開了連接 但此時之前沒達(dá)到的請求報文段突然又到了接收端服務(wù)器，接收端服務(wù)器變成了ESTABLISHED狀態(tài) 接收端一直在等發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，白白浪費了主機很多資源，導(dǎo)致了錯誤

4.6 四次揮手能不能改成三次揮手？

不能 接收端可能還有數(shù)據(jù)沒有發(fā)送 需要等待一段時間，發(fā)送完數(shù)據(jù)，才會發(fā)送FIN

4.7 SYN攻擊

服務(wù)器端的資源分配是在二次握手時分配的，而客戶端的資源是在完成三次握手時分配的，所以服務(wù)器容易受到SYN洪泛攻擊。

SYN攻擊就是Client在短時間內(nèi)偽造大量不存在的IP地址，并向Server不斷地發(fā)送SYN包，Server則回復(fù)確認(rèn)包，并等待Client確認(rèn)，由于源地址不存在，因此Server需要不斷重發(fā)直至超時，這些偽造的SYN包將長時間占用未連接隊列，導(dǎo)致正常的SYN請求因為隊列滿而被丟棄，從而引起網(wǎng)絡(luò)擁塞甚至系統(tǒng)癱瘓。SYN 攻擊是一種典型的 DoS/DDoS 攻擊。

5、tcp 怎樣保證數(shù)據(jù)正確性？

差錯控制?

發(fā)送的數(shù)據(jù)包的二進制相加然后取反，檢測數(shù)據(jù)在傳輸過程中的任何變化，如果收到段的檢驗和有差錯，TCP 將丟棄這個報文段和不確認(rèn)收到此報文段。編號 + 排序 TCP 給發(fā)送的每一個包進行編號，接收方對數(shù)據(jù)包進行排序，把有序數(shù)據(jù)傳送給應(yīng)用層 確認(rèn) + 超時重傳的機制 當(dāng) TCP 發(fā)出一個段后，它啟動一個定時器，等待目的端確認(rèn)收到這個報文段。如果不能及時收到一個確認(rèn)，將重發(fā)這個報文段。

流量控制

TCP 連接的每一方都有固定大小的緩沖空間，TCP 的接收端只允許發(fā)送端發(fā)送接收端緩存區(qū)能接納的數(shù)據(jù)。當(dāng)接收方來不及處理發(fā)送方的數(shù)據(jù)，能提示發(fā)送方降低發(fā)送的速率，防止包丟失。TCP 使用的流量控制協(xié)議是可變大小的滑動窗口協(xié)議。

擁塞控制

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時，減少數(shù)據(jù)的發(fā)送。發(fā)送方有擁塞窗口，發(fā)送數(shù)據(jù)前比對接收方發(fā)過來的接收窗口，取兩者的最小值---慢啟動、擁塞避免、擁塞發(fā)送、快速恢復(fù)

二、UDP

三、TCP/UDP對比

TCP/IP協(xié)議架構(gòu)

對比

1、是否面向連接

UDP：無連接

TCP：面向連接（三次握手，四次揮手）

2、是否支持廣播和多播

UDP：支持一對一，一對多，多對一和多對多交互通信 TCP：只能一對一通信

3、對應(yīng)用層報文的處理

UDP：面向報文（對應(yīng)用層交付的報文直接打包） TCP：面向字節(jié)流（是tcp實現(xiàn)可靠傳輸，流量控制，擁塞控制的基礎(chǔ)）

4、是否提供可靠傳輸

UDP：向上提供無連接不可靠服務(wù) UDP：適用于實時應(yīng)用（IP電話、視頻會議等） TCP：向上提供面向連接的可靠服務(wù) TCP：適用于要求可靠傳輸?shù)膽?yīng)用，例如文件傳輸

5、首部開銷

UDP：8個字節(jié) TCP：最小20字節(jié)，最大60字節(jié)

編輯：黃飛