[NetWork] TCP/UDP 基本原理

博主： Magic清风
发布时间：2022 年 12 月 19 日
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分类： H3C-NE-构建中小型网络 H3C-数通

## 传输层的作用

首先在讲TCP/IP协议族之前，我们先来了解一下传输层。

1. 传输层提供面向连接和无连接的服务（TCP/UDP）
2. 维护连接状态
3. 对数据进行分段和封装（网络只能发送长度有限的数据包）
4. 多路复用（端口号的概念呢，一个IP地址对应多个应用程序或服务）
5. 可靠传输（对错误、丢失、乱序的包检测纠错）
6. 流量控制（对接收方的数据接收速率进行协调，避免浪费）

## 什么是TCP、UDP

TCP（Transfer Control Protocol）传输控制协议
UDP（User Datagram Protocol）用户数据报文协议
两者都是TCP/IP协议族中最重要协议之一
TCP是面向连接的可靠传输层协议，一对一的通信
UDP是无连接的传输协议，我们看视频什么的都是基于UDP流试传输数据

## TCP的特点

- **三次握手**

通过三次握手来建立可靠连接

- **端口号**

可以用端口号来标识上层协议和服务，实现网络多路复用

- **完整性校验**

（Checksum）校验和计算，保证了接受方能检测到传输过程中可能出现的差错

- **确认机制**

对于正确收到的数据包接收方通过应答通过发送方，超过一段时间没有收到应答则重传

- **序列号**

所有的数据都拥有唯一的序列号，通过序列号来将数据进行确认、乱序重排

- **窗口机制**

可以通过调节抽象的窗口，来限制接收方最大的传输速率，从而控制数据流量

## TCP报文格式

![TCP头格式](https://breezecloud.cn/usr/uploads/2022/12/4145896798.png)
依旧还是老惯例，我们逐层来解释他的意思和作用：

- **Source Port **

<code>源端口 - 16Bit</code>
和源IP组合起来使用，对报文表示返回地址

- **Destination Port**

<code>目的端口 - 16Bit</code>
对应接受方计算机上的服务、应用程序的端口

- **Sequence Number**

<code>序列号 - 32Bit</code>
用来标识源端设备向目的端发送的数据的编号，（相当于一个计数器）

- **Acknowledgement**

<code>确认号 - 32Bit</code>
用来标识请求对方下次发送的数据报文的编号

- **Data Offset**

<code>数据偏移 - 4Bit</code>
用来标识分片后的数据，在源数据中的位置

- **Reserved**

<code>保留位 - 6Bit</code>
暂时还没有其他作用，留着占位，以便以后新增内容

- **Control **

<code>控制位 - 6Bit</code>
控制着六个功能的开关
分别是<code>URG</code><code>ACK</code><code>PSH</code><code>RST</code><code>SYN</code><code>FIN</code>

- **URG**

紧急指针

- **ACK**

确认字段标志

- **PSH**

提交缓存数据

- **RST**

复位开关（可以用来强行中断TCP连接）

- **SYN**

握手开关

- **FIN**

结束开关

- **Windows**

<code>窗口尺寸 - 16Bit</code>
用于标识自己期望收到的数据字节

- **Checksum**

<code>校验和 - 16Bit</code>
对源数、目的据计算产生的结果，源目数据计算出来的应该是相等，数据才是完整的

- **Urgent Pointer**

- **Options**

- **Padding**

加入额外的数据，保证TCP头部是32位的整倍数

## 端口号的概念

IP网络中，通常一个IP地址标识一个主机，但是主机上有多个进程服务要被其他网络所访问，要标识这些程序、服务就引入了TCP/UDP端口号，用来标识程序或服务
协议号TCP：6
协议号UDP：17
![IP/UDP端口号](https://breezecloud.cn/usr/uploads/2022/12/3975609150.png)
端口的取值范围是0~65535
其中0-1023端口有IANA号码分配机构统一管理
1024-65535为我们的随机端口
几个常见应用的端口号：
<code>Telnet：23/TCP</code>
<code>FTP：20/21/TCP</code>（20数据传输，21连接控制）
<code>HTTP：80/TCP</code>
<code>HTTPS：443/TCP</code>
<code>SMTP：25/TCP</code>
<code>DNS：53/UDP</code>
<code>TFTP：69/UDP</code>
<code>SNMP：161/UDP</code>
<code>BootP：67/68/UDP</code>

## TCP三次握手

TCP通过三次握手来建立可靠连接

1. 由发起方 HostA 向被叫方 HostB 发出连接请求。将段的序列号标为 a，SYN 置位，由于是双方发的第一个包，ACK 无效。
2. HostB 收到连接请求后，读出序列号为 a，发送序列号为 b 的包，同时将 ACK 置为有效，将确认号置为 a+1，同时将 SYN 置位。
3. HostA 收到 HostB 的连接确认后，对该确认再次作确认。HostA 收到确认号为 a+1、序列号为 b 的包后，发送序列号为 a+1、确认号为 b+1 的段进行确认
4. HostB 收到确认报文后，连接建立

PS：看文字容易搞混，最好还是看流程图，在配合抓包测试
![三次握手](https://breezecloud.cn/usr/uploads/2022/12/3096095450.png)

## TCP的四次挥手

TCP在控制段中开启FIN功能来关闭一个TCP连接

1. HostA 要求终止连接，发送序列号为 p 的段，FIN 置为有效，同时确认此前刚收到的
   段。
2. HostB 收到 HostA 发送的段后，发送 ACK 段，确认号为 p+1，同时关闭连接。
3. HostB 发送序列号为 q 的段，FIN 置为有效，通知连接关闭。
4. HostA 收到 HostB 发送的段后，发送 ACK 段，确认号为 q+1，同时关闭连接

还是和三次握手相似，如果要强制关闭连接，只需要开启RST功能即可，无需进行四次挥手就可断开连接。
![四次挥手](https://breezecloud.cn/usr/uploads/2022/12/1558057837.png)

## TCP重传机制

当其中一个数据丢失时，被接收方只需要向接收方单独发送丢失数据的请求即可
![重传机制](https://breezecloud.cn/usr/uploads/2022/12/34444204.png)

## TCP滑动窗口机制

通过告知对方本机数据的接收能力，来实现对数据流量的控制
当TCP发送重传后，会主动缩减窗口尺寸
当TCP稳定传输时，会逐渐增大窗口尺寸
![滑动窗口](https://breezecloud.cn/usr/uploads/2022/12/1653567254.png)

## UDP报文格式

相比于TCP而言UDP的报文格式就简单了许多
![UDP报文格式](https://breezecloud.cn/usr/uploads/2022/12/2408507544.png)
这里我们只对新出现的条目做解释，其他条目和TCP的解释一样

- **Length**

<code>长度 - 16Bit</code>
里面包含了UDP头部和数据在整改UDP数据报文中的长度，单位字节

## TCP与UDP的对比

![对比图](https://breezecloud.cn/usr/uploads/2022/12/2302769704.png)
TCP更适用于对于数据完整性要求较高，对数据传输延低的场景
UDP更适用于对传输延时高，但对数据完整性要求较低的场景（视频流的传输，音频流的传输都是基于UDP）

最后修改：2022 年 12 月 19 日

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[NetWork] TCP/UDP 基本原理

Magic清风 • 2022 年 12 月 19 日

## 传输层的作用

首先在讲TCP/IP协议族之前，我们先来了解一下传输层。

## 什么是TCP、UDP

## TCP的特点

- **三次握手**

通过三次握手来建立可靠连接

- **端口号**

可以用端口号来标识上层协议和服务，实现网络多路复用

- **完整性校验**

（Checksum）校验和计算，保证了接受方能检测到传输过程中可能出现的差错

- **确认机制**

对于正确收到的数据包接收方通过应答通过发送方，超过一段时间没有收到应答则重传

- **序列号**

所有的数据都拥有唯一的序列号，通过序列号来将数据进行确认、乱序重排

- **窗口机制**

可以通过调节抽象的窗口，来限制接收方最大的传输速率，从而控制数据流量

## TCP报文格式

![TCP头格式](https://breezecloud.cn/usr/uploads/2022/12/4145896798.png)
依旧还是老惯例，我们逐层来解释他的意思和作用：

- **Source Port **

<code>源端口 - 16Bit</code>
和源IP组合起来使用，对报文表示返回地址

- **Destination Port**

<code>目的端口 - 16Bit</code>
对应接受方计算机上的服务、应用程序的端口

- **Sequence Number**

<code>序列号 - 32Bit</code>
用来标识源端设备向目的端发送的数据的编号，（相当于一个计数器）

- **Acknowledgement**

<code>确认号 - 32Bit</code>
用来标识请求对方下次发送的数据报文的编号

- **Data Offset**

<code>数据偏移 - 4Bit</code>
用来标识分片后的数据，在源数据中的位置

- **Reserved**

<code>保留位 - 6Bit</code>
暂时还没有其他作用，留着占位，以便以后新增内容

- **Control **

<code>控制位 - 6Bit</code>
控制着六个功能的开关
分别是<code>URG</code><code>ACK</code><code>PSH</code><code>RST</code><code>SYN</code><code>FIN</code>

- **URG**

紧急指针

- **ACK**

确认字段标志

- **PSH**

提交缓存数据

- **RST**

复位开关（可以用来强行中断TCP连接）

- **SYN**

握手开关

- **FIN**

结束开关

- **Windows**

<code>窗口尺寸 - 16Bit</code>
用于标识自己期望收到的数据字节

- **Checksum**

<code>校验和 - 16Bit</code>
对源数、目的据计算产生的结果，源目数据计算出来的应该是相等，数据才是完整的

- **Urgent Pointer**

- **Options**

- **Padding**

加入额外的数据，保证TCP头部是32位的整倍数

## 端口号的概念

## TCP三次握手

TCP通过三次握手来建立可靠连接

PS：看文字容易搞混，最好还是看流程图，在配合抓包测试
![三次握手](https://breezecloud.cn/usr/uploads/2022/12/3096095450.png)

## TCP的四次挥手

TCP在控制段中开启FIN功能来关闭一个TCP连接

## TCP重传机制

当其中一个数据丢失时，被接收方只需要向接收方单独发送丢失数据的请求即可
![重传机制](https://breezecloud.cn/usr/uploads/2022/12/34444204.png)

## TCP滑动窗口机制

## UDP报文格式

- **Length**

<code>长度 - 16Bit</code>
里面包含了UDP头部和数据在整改UDP数据报文中的长度，单位字节

## TCP与UDP的对比

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