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TCP 与 UDP 协议

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不如怀念
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Web 前端工程师 (Web Front-end Engineer)

最后更新于 2016-06-20 17:21:00

传输层是网络分层模型中举足轻重的层，它是底层通信子网与高层资源子网的接口与桥梁，提供了面向连接的传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和无连接的用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP），负责提供端到端的数据传输服务。

传输层协议​

传输层在两个应用实体之间实现可靠的、透明的、有效的端到端数据传输服务，其主要的功能为以下几个方面：

  • 创建进程间通信，进程即正在运行的应用程序。
  • 提供控制机制，如流量控制，差错控制等。
  • 提供连接机制。

TCP 协议​

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是传输层最重要和最常用的协议。它提供了面向连接的、可靠的数据传输服务，保证了端到端数据传输的可靠性。以下为 TCP 协议的特点：

  • 面向连接

    两个需要通过 TCP 进行数据传输的进程之间首先必须建立一个逻辑连接（虚电路），即 TCP 连接；在数据传输完成后需要关闭（释放）连接。一般将发出请求连接的应用进程称为客户进程，而将响应连接的应用进程称为服务器进程，即 TCP 连接的建立采用的是一种客户/服务器模型。

  • 全双工

    提供全双工数据传输服务，只要建立了 TCP 连接，就能在两个进程间进行双向的数据传输服务，但是这种传输只是端到端的传输，不支持广播和多播。

  • 可靠

    提供流量控制、拥塞控制、差错控制，从而保证数据传输的可靠性。

  • 基于字节流

    提供面向字节流的服务，两个建立了 TCP 连接的应用进程间之间交换的是字节流。在传输层上数据被当作没有信息的字节序列来对待。

TCP 比较安全、稳定，但由于每次传输数据时都要先建立连接，并在传送完成后关闭连接，所以效率比较低，而且占用的资源也比较多。TCP 协议的主要作用是在计算机之间可靠的传输数据，将具有一定可靠性的流式通信服务提供给应用程序。

UDP 协议​

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是不可靠的无连接的基于数据报的协议，支持无连接 IP 数据报的通信方式。相对于 TCP 协议来说，UDP 是一种非常简单的协议，在网络层的基础上实现了进程之间端到端的通信。以下为 UDP 协议的特点：

  • 无连接

    传输数据之前双方不需要建立连接，因此不存在连接建立的时延。

  • 无需维护

    传输数据不需要维护连接状态，包括收发状态等，这样一台服务器可同时向多个客户端传输相同的数据，如实现多播。

  • 报文首部短

    UDP 数据报首部只有 8 字节，相对于 TCP 的 20 字节首部的开销要小很多。

  • 吞吐量不受控制

    吞吐量不受流量控制算法的调节，只受应用软件生成数据报的速率、传输带宽、信源和信宿主机性能的限制。

UDP 的不可靠性并不影响 UDP 的可用性。在没有严格可靠性要求的情况下，UDP 避免了 TCP 面向连接的消耗，反而能提高传输速率和降低资源占用，非常适合于简单查询和响应类型的通信，如广播、路由、多媒体等广播形式的通信任务。

进程间通信​

传输层以下各层（通信子网）只提供相邻节点之间的点到点传输。例如，IP 协议负责在网络节点之间的通信，即主机之间的通信。作为网络层协议，IP 只能将报文交付给目的主机，但是这是一种不完整的交付，因为这个报文还必须送交到相应的进程。传输层提供端到端的数据传输，即源进程到目的进程的端到端通信。

由于在一台计算机中同时存在多个进程，进程之间要进行通信，首先要解决进程的标识问题。为了保证数据能够正确地到达指定的目的进程，必须显示地给出全局唯一的目的进程标识符。主机可以用 IP 地址进行标识，IP 地址是全局唯一的；然后我们再给主机上的进程赋予一个本地唯一的标识符端口号（Port Number）。为了区别 TCP 和 UDP 的进程，还要指明协议。因此，我们要全局唯一地标识一个进程，必须采用一个三元组来表示：<协议，主机 IP 地址，端口号>。

网络通信是两个进程之间的通信，两个进程相关联，因为采用的是同一种协议通信，可以用一个五元组来描述两个进程的关联：

<源 IP 地址，源端口号，协议，目的 IP 地址，目的端口号>。

TCP 连接机制​

TCP 提供的是面向连接的数据传输服务，所以在进行数据传输前通信双方要建立 TCP 连接，数据传输完成后又要关闭 TCP 连接。我们可以将这个过程大致描述为：

  • TCP 连接建立（三次握手）
  • 数据传输（保持连接）
  • TCP 连接关闭（四次挥手）

连接建立（三次握手）​

通信双方在使用 TCP 传输数据之前，要建立一个稳定、可靠的 TCP 连接，这个连接建立过程形象地称为“三次握手”。下面来具体分析这个过程：

  • 第一次握手

    客户端（源主机）向服务器（目的主机）发送 TCP 连接建立请求（又称 SYN 段），其中标志 SYN=1，ACK=0；序列号为客户端初始序列号（简称 ISN）；目的端口号为所请求的服务（进程）对应的端口。同时客户端启动计时器，等待接受服务器的应答。这个 SYN 段不携带任何数据，但是它消耗一个序列号。这一步客户端执行主动打开（Action Open）。

  • 第二次握手

    服务器收到客户端的 TCP 连接建立请求后，将回应一个 TCP 连接建立应答（又称 SYN/ACK 段），其中标志 SYN=1，ACK=1；序列号为服务器初始序列号；确认号为客户端初始序列号加 1；目的端口号为客户端的源端口号。同时服务器启动计时器，等待接受客户端的应答。这个 SYN/ACK 段不携带数据，但消耗一个序列号。这一步服务器执行被动打开（Passive Open）。

  • 第三次握手

    客户端计时器超时前若收到服务器的应答报文，客户端会向服务器发送一个 TCP 连接建立确认报文（又称 ACK 段），其中标识 SYN=0，ACK=1；序列号为客户端初始序列号加 1；确认号为服务器初始序列号加 1。这个 ACK 段若不携带数据，则不消耗序列号。

至此，服务器计时器超时前若收到客户端确认报文，则 TCP 连接正式建立。

“三次握手”的过程大致可以描述为：客户端发送（主动）连接建立请求——>服务器接收请求，发送（被动）连接建立请求和应答信息——>客户端发送连接建立确认信息。

数据传输（保持连接）​

在完成“三次握手”的过程后，通信双方的 TCP 连接正式建立，此时就可以进行数据双向传输了。

客户端和服务器都可以在两个方向上进行数据传输和确认。客户端和服务器分别记录对方的序列号，序列号的作用是为了同步数据。客户端向服务器发送数据报文，服务器收到后会回复一个带有 ACK 标志的确认报文段。客户端收到该确认报文段，就知道数据已经成功发送，否则，报文将被重新发送。接着它继续向服务器发送报文。

建立 TCP 连接之后，可以保持连接以免每次发送数据都要重复执行握手过程。这样，即使没有数据在 TCP 链路上传送，仍旧能够维持连接。通常应用层可以实现连接保持，如 FTP。如果应用程序不能保持连接，则可以由服务器发起 TCP 保持连接。

连接关闭（四次挥手）​

双方在完成数据传输后，可以关闭 TCP 连接，释放资源同时也能准备为其他进程提供服务，而这个关闭（释放）连接的过程也被形象地称为“四次挥手”。**至于为何建立连接是“三次握手”，而关闭连接却是“四次挥手”，是因为 TCP 连接是全双工的，支持通信双方进行双向数据传输，所以每个方向上都必须单独关闭。**下面来具体分析这个过程：

  • 第一次挥手

    客户端向服务器发送 TCP 连接关闭请求（又称 FIN 段），其中标志 FIN=1。主动关闭客户端到服务器的数据传送。

  • 第二次挥手

    服务器收到客户端的 TCP 连接关闭请求后，将回应一个 TCP 连接关闭应答（又称 ACK 段），其中标志 ACK=1。并通知己方（服务器）应用程序关闭。

  • 第三次挥手

    服务器收到己方应用程序关闭信息后，向客户端发送 TCP 连接关闭请求（又称 FIN 段），其中标志 FIN=1。

  • 第四次挥手

    客户端收到服务器的 TCP 连接关闭请求后，将回应一个 TCP 连接关闭应答（又称 ACK 段），其中标志 ACK=1。

至此，服务器收到客户端应答报文后会单向关闭 TCP 连接，稍后客户端也会单向关闭 TCP 连接，这样 TCP 连接就同时双向关闭了。

“四次挥手”的过程大致可以描述为：客户端发送（主动）连接关闭请求——>服务器接受请求，发送应答信息，并通知应用程序关闭——>服务器应用程序已关闭，发送（被动）连接关闭请求——>客户端接受请求，并发送应答信息。

要注意的是，四次挥手过程中主动发起连接关闭方既可以是客户端（Client）也可以是服务器（Server）。

结语​

对于 TCP 和 UDP 协议的报文格式，以及 TCP 连接整个过程我们可以使用 Wireshark 软件来监测，并进行具体的分析，这样我们可以直观的了解它们，也能帮助我们更好的理解。