一图看懂|图解TCP/UDP

发表于 2年以前 | 总阅读数：463 次

一、TCP

1、TCP首部

源端口(Source Port): 使用 TCP 协议传输数据的端口号
目的端口(Destination Port): 数据传输目的主机所对应的端口号
序号(Sequence Number): 表示在该报文段中的数据相对于要发送的所有数据中的偏移量 (从上层传下来的数据一般在传输层就已经切分了, 这样如果有一个报文段丢失/出错的话, 发送端就只需要传输对应的报文段即可(TCP 差错控制). 若是到网络层或数据链路层再切分, 则若出错, 需要重新发送整个数据)
确认号(Acknowledgement Number): 表示期望对方发送过来的报文段的序号(Sequence Number)
数据偏移(Data Offset): 指数据部分在整个 TCP 报文段中的偏移量(即 TCP 首部的长度)
控制位
URG(Urgent): 表示是否有紧急情况, 当值为 1 时, 从"数据偏移"开始的"紧急指针"个字节会优先发送
ACK(Acknowledgement): 当值为 1 时, 对应确认号(ack)表示期望对方接下来发送过来的数据的序号(seq)
PSH(Push): 当 PSH 值为 1 时, 接收到该报文段的主机会尽快将数据交付给应用程序, 而不会等到缓存满了之后再交付给上层
RST(Reset flag): 当值为 1 时, 表示网络状态不好, 需要释放连接, 并重新建立连接
SYN(Synchronize flag): 当值为 1 时, 表示期望与对方建立连接
FIN(Final flag): 释放连接
16位窗口大小(Window Size): 接收/发送窗口的大小，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(Checksun): 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

TCP接受方的窗口可以划分成四个部分：

1、已经接收并且已经确认的TCP段；

2、已经接收但是没有确认的TCP段；

3、还未接收但是发送方已经发送的TCP段；

4、还未接收但是发送也不允许发送的TCP段。

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

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

快重传

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

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

快恢复

慢开始 + 拥塞避免+快重传 + 快恢复结合

4、TCP状态机

CLOSED：表示初始状态。对服务端和客户端双方都一样。
LISTEN：表示监听状态。服务端调用了 listen 函数使其处于监听状态，此时可以开始 accept （接收）客户端的连接。
SYN_SENT：表示客户端已经发送了 SYN 报文段，则会处于该状态。当客户端调用 connect 函数发起连接请求时，首先发 SYN 给服务端，然后自己进入 SYN_SENT 状态，并等待服务端发送 ACK+SYN 作为请求应答。
SYN_RCVD：表示服务端收到客户端发送 SYN 报文段。服务端收到这个报文段后，进入 SYN_RCVD 状态，然后发送 ACK+SYN 给客户端。
ESTABLISHED：表示 TCP 连接已经成功建立，通信双方可以开始传输数据。服务端发送完 ACK+SYN 并收到来自客户端的 ACK 后进入该状态，客户端收到来自服务器的 SYN+ACK 并发送 ACK 后也进入该状态。
FIN_WAIT_1：表示主动关闭连接。无论哪方调用 close 函数发送 FIN 报文都会进入这个这个状态。
FIN_WAIT_2：表示被动关闭方同意关闭连接。主动关闭连接方收到被动关闭方返回的 ACK 后，会进入该状态。
TIME_WAIT：表示收到对方的 FIN 报文并发送了 ACK 报文，就等 2MSL 后即可回到 CLOSED 状态了。如果 FIN_WAIT_1 状态下，收到对方同时带 FIN 标志和 ACK 标志的报文时，可以直接进入 TIME_WAIT 状态，而无须经过 FIN_WAIT_2 状态。
CLOSING：表示双方同时关闭连接。如果双方几乎同时调用 close 函数，那么会出现双方同时发送 FIN 报文的情况，就会出现 CLOSING 状态，表示双方都在关闭连接。
CLOSE_WAIT：表示被动关闭方等待关闭。当收到对方调用 close 函数发送的 FIN 报文时，回应对方 ACK 报文，此时进入 CLOSE_WAIT 状态。
LAST_ACK：表示被动关闭方发送 FIN 报文后，等待对方的 ACK 报文状态，当收到 ACK 后进入CLOSED状态

4.1 三次握手

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

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

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）接收端：ACK=1，ack=u+1，seq=v 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）发送端：ACK=1，ack=w+1，seq=u+1

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？

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、拥塞发送、快速恢复