TCP与UDP协议详解：从握手挥手机制到拥塞控制算法

一、TCP

• TCP首部
• 流量控制
• 拥塞控制
• 三次握手，四次挥手
• tcp 怎样保证数据正确性？

流量控制是为了让接收方能来得及接收，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。

1、TCP首部

• 源端口号
• 目标端口号
• 32位序列号
• 32位确认号
• 首部长度（单位为4字节，默认为5，即20字节）
• 保留位（6位）
• 6个控制位（SYN、ACK、FIN、PUSH、URG、RST）
  • SYN：同步序号位，TCP建立连接时要将这个值设为1
  • ACK：为1表示确认号
  • FIN：发送端完成位，提出断开连接的一方把FIN置为1表示要断开连接
  • PUSH：急迫位，缓存区将满，立刻传输速度
  • RST：重置位，连接断了重新连接
  • URG：紧急信号
• 16位窗口大小：接收窗口大小，流量控制使用，如果窗口大小为0，可以发送窗口探测
• 16位校验和：校验和用来做差错控制，TCP校验和的计算包括TCP首部、数据和其它填充字节。在发送TCP数据段时，由发送端计算校验和，当到达目的地时又进行一次检验和计算。如果两次校验和一致，说明数据是正确的，否则将认为数据被破坏，接收端将丢弃该数据
• 16位紧急指针：仅在URG控制位为 1 时有效。表示紧急数据的末尾在 TCP 数据部分中的位置。通常在暂时中断通信时使用（比如输入 Ctrl + C）

2、流量控制

流量控制，就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。

利用滑动窗口机制可以很方便地在TCP连接上实现对发送方的流量控制。TCP接收方利用自己的接收窗口的大小来限制发送方发送窗口的大小。

• 重传计时器
• TCP发送方收到接收方的零窗口通知后，应启动持续计时器。持续计时器超时后，向接收方发送零窗口探测报文
• 即使接收窗口为0，接收方也会接收：零窗口探测报文段、确认报文段、携带紧急数据的报文段

TCP发送方的发送窗口大小 = Math.min(自身拥塞窗口大小， TCP接收方的接收窗口大小)

3、拥塞控制

什么是拥塞

在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络性能就要变坏。这种情况就叫做拥塞（congestion）。在计算机网络中的链路容量（即带宽）、交换结点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。若出现拥塞而不进行控制，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。

假定条件

数据是单方向发送，而另一方向只传送确认。接收方总是有足够大的缓存空间，因而发送方发送窗口的大小由网络的拥塞程度来决定。以最大报文段MSS的个数为讨论问题的单位，而不是以字节为单位。

慢开始 + 拥塞避免算法

MSS：TCP最大报文段 ssthresh：慢开始门限 cwnd：拥塞窗口 swnd：发送窗口 rtt：每次往返时间

慢开始和拥塞避免算法是1988年提出的TCP拥塞控制算法（TCP Tahoe版本）。1990年又增加了两个新的拥塞控制算法（改进TCP的性能），这就是快重传和快恢复（TCP Reno版本）。有时，个别报文段会在网络中丢失，但实际上网络并未发生拥塞。这将导致发送方超时重传，并误认为网络发生了拥塞；发送方把拥塞窗口cwnd又设置为最小值1，并错误地启动慢开始算法，因而降低了传输效率。

快重传

在慢开始 + 拥塞避免算法中，发送方把拥塞窗口cwnd又设置为1，并错误地启动慢开始算法，降低了传输效率。

采用快重传算法可以让发送方尽早知道发生了个别报文段的丢失。所谓快重传，就是使发送方尽快进行重传，而不是等超时重传计时器超时再重传。

• 要求接收方不要等待自己发送数据时才进行捎带确认，而是要立即发送确认；
• 即使收到了失序的报文段也要立即发出对已收到的报文段的重复确认。
• 发送方一旦收到3个连续的重复确认，就将相应的报文段立即重传，而不是等该报文段的超时重传计时器超时再重传。

收到3个重复确认

• 接收方收到失序的报文段，立即发出重复确认
• 发送方收到3个连续的重复确认，立即重传

对于个别丢失的报文段，发送方不会出现超时重传，也就不会误认为出现了拥塞（进而降低拥塞窗口cwnd为1）。使用快重传可以使整个网络的吞吐量提高约20%。

快恢复

发送方一旦收到3个重复确认，就知道现在只是丢失了个别的报文段。于是不启动慢开始算法，而执行快恢复算法；
发送方将慢开始门限ssthresh值和拥塞窗口cwnd值调整为当前窗口的一半；开始执行拥塞避免算法。
也有的快恢复实现是把快恢复开始时的拥塞窗口cwnd值再增大一些，即等于新的ssthresh + 3。

• 既然发送方收到3个重复的确认，就表明有3个数据报文段已经离开了网络；
• 这3个报文段不再消耗网络资源而是停留在接收方的接收缓存中；
• 可见现在网络中不是堆积了报文段而是减少了3个报文段。因此可以适当把拥塞窗口扩大些。

慢开始 + 拥塞避免+快重传 + 快恢复结合

4、三次握手，四次挥手

4.1 三次握手

1. 发送端：SYN=1、seq=x
2. 接收端：ACK=1、ack=x+1、SYN=1、seq=y
3. 发送端：ACK=1、ack=y+1、seq=x+1

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• TCP规定：SYN被设置为1的报文段不能携带数据，但要消耗掉一个序号
• TCP规定：普通的确认报文段如果不携带数据，则不消耗序号

4.2 四次挥手

1. 发送端：FIN=1， ACK=1， seq=u， ack=v（u等于发送端已传送过的数据的最后一个字节序号+1，v等于发送端之前已收到的数据的最后一字节序号+1）
2. 接收端：ACK=1， ack=u+1， seq=v
3. 接收端：FIN=1， ACK=1， ack=u+1， seq=w（w：半关闭情况下，可能收到了数据）
4. 发送端：ACK=1， ack=w+1， seq=u+1

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• TCP规定：终止位FIN等于1的报文段，即使不携带数据，也要一个消耗掉一个序号
• MSL：最长报文段寿命，建议为2分钟

为什么要等待2MSL？
如果接收端发送FIN连接释放，发送端接收后发送ACK，如果丢失，会导致接收端超时重传，而无法进入CLOSED状态。

4.3 保活计时器

4.4 半连接队列

服务器第一次收到客户端的 SYN 之后，就会处于 SYN_RCVD 状态，此时双方还没有完全建立其连接，服务器会把此种状态下请求连接放在一个队列里，我们把这种队列称之为半连接队列。

4.5 三次握手能不能改成两次握手？

• 不能
• TCP发送连接请求，但长时间没到达，然后触发了超时重传
• 又发送了一次，后建立连接，数据传输，并断开了连接
• 但此时之前没达到的请求报文段突然又到了接收端服务器，接收端服务器变成了ESTABLISHED状态
• 接收端一直在等发送端发送数据，白白浪费了主机很多资源，导致了错误

4.6 四次挥手能不能改成三次挥手？

• 不能
• 接收端可能还有数据没有发送
• 需要等待一段时间，发送完数据，才会发送FIN

4.7 SYN攻击

服务器端的资源分配是在二次握手时分配的，而客户端的资源是在完成三次握手时分配的，所以服务器容易受到SYN洪泛攻击。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server则回复确认包，并等待Client确认，由于源地址不存在，因此Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将长时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络拥塞甚至系统瘫痪。SYN 攻击是一种典型的 DoS/DDoS 攻击。

5、tcp 怎样保证数据正确性？

要实现可靠传输，TCP/IP协议 综合运用了多种机制，这也是理解计算机网络基础 的关键。

• 差错控制：发送的数据包的二进制相加然后取反，检测数据在传输过程中的任何变化，如果收到段的检验和有差错，TCP 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
• 编号 + 排序：TCP 给发送的每一个包进行编号，接收方对数据包进行排序，把有序数据传送给应用层。
• 确认 + 超时重传的机制：当 TCP 发出一个段后，它启动一个定时器，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。
• 流量控制：TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间，TCP 的接收端只允许发送端发送接收端缓存区能接纳的数据。当接收方来不及处理发送方的数据，能提示发送方降低发送的速率，防止包丢失。TCP 使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。
• 拥塞控制：当网络拥塞时，减少数据的发送。发送方有拥塞窗口，发送数据前比对接收方发过来的接收窗口，取两者的最小值——慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复。

二、UDP

三、TCP/UDP对比

TCP/IP协议架构

对比

1、是否面向连接

• UDP：无连接
• TCP：面向连接（三次握手，四次挥手）

2、是否支持广播和多播

• UDP：支持一对一，一对多，多对一和多对多交互通信
• TCP：只能一对一通信

3、对应用层报文的处理

• UDP：面向报文（对应用层交付的报文直接打包）
• TCP：面向字节流（是tcp实现可靠传输，流量控制，拥塞控制的基础）

4、是否提供可靠传输

• UDP：向上提供无连接不可靠服务
• UDP：适用于实时应用（IP电话、视频会议等）
• TCP：向上提供面向连接的可靠服务
• TCP：适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输

5、首部开销

• UDP：8个字节
• TCP：最小20字节，最大60字节