一文读懂——TCP&UDP原理

       传输层定义了主机应用程序之间端到端的连通性。传输层中最为常见的两个协议分别是传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）和用户数据包协议UDP（User Datagram Protocal）。

 

一、TCP协议

       TCP位于TCP/IP模型的传输层，它是一种面向连接的端到端协议，可以为主机提供可靠的数据传输。

 

1.TCP头部格式

 

主要字段：

源端口（Source Port）：16位的源端口字段(16bit)包含初始化通信的端口号。源端口和源IP地址的作用是标识报文的返回地址。端口：2^16=65536，端口范围：0~65535

目的端口（Destination Port）：16位的目的端口字段定义传输的目的。这个端口指明接收方计算机上的应用程序接口。

***（Sequence Number）：该字段用来标识TCP源端设备向目的端设备发送的字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则TCP用***对每个字节进行计数。***是一个32位的数。

确认号（Acknowledgement Number）：TCP使用32位的确认号字段标识期望收到的下一个段的第一个字节，并声明此前的所有数据都已经正确无误地收到，因此，确认号应该是上次已成功收到的数据字节***加1.收到确认号的源计算机会知道特定的段已经被收到。确认号的字段只在ACK标志被设置时才有效。

保留（Reserved）：6位置0的字段。为将来定义新的用途保留。

控制位（Control Bits）：共6位，每1位标志可以打开一个控制功能，者六个标志从左至右是URG(Urgent Pointer field signficant 紧急指针字段标志)、ACK（Acknowledgement field significant 确认字段标识）、PSH（Push Function 推功能）、RST（Reset the connection 重置连接）、SYN（Synchronize sequence numbers 同步***）、FIN（No more data from sender 数据传送完毕）。

窗口（Window）：目的主机使用16位的窗口字段告诉源主机它期望每次收到的数据的字节数。窗口字段是一个16位字段。

校验和（Checksum）：TCP头包括16位的校验和字段用于错误检查。源主机基于部分IP头信息、TCP头和数据内容计算一个校验和，目的主机也要进行相同的计算，如果收到的内容没有错误过，两个计算结果应该完全一样，从而证明数据的有效性。

紧急指针（Urgent Pointer）：紧急指针字段是一个可选的16位指针，指向段内的最后一个字节位置，这个字段只在URG标志被设置时才有效。

选项（Option）：至少1字节的可变长字段，标识哪个选项（如果有的话）有效。如果没有选项，这个字节等于0，说明选项字段的结束。这个字节等于1表示无需再有操作；等于2表示下四个字节包括源机器的最大段长度（Maximum Segment Size，MSS），MSS是数据字段中可包含的最大数据量，源和目的机器对此达成一致。当一个TCP连接建立时，连接的双方都要通告各自的MSS,协商可以传输的最大段长度。常见的MSS有1024字节，以太网可达1460字节。

填充（Padding）：这个字段中加入额外的零，以保证TCP头是32位的整数倍。

 

2.TCP连接的建立（三次握手）

 

三次握手过程：

（1）主机A (通常也称为客户端)发送一个标识了SYN的数据段，表示期望与服务器A建立连接，此数据段的***(seq) 为a。

（2）服务器A回复标识了SYN+ACK的数据段，此数据段的***(seq)为b，确认***为主机A的***加1 (a+1) ， 以此作为对主机A的SYN报文的确认。

（3）主机A发送一个标识了ACK的数据段，此数据段的***(seq)为a+1，确认***为服务器A的***加1 (b+1) ，以此作为对服务器A的SYN报文的确认。

 

三次握手的核心：确认每一次包的***。

seq***范围：2^32-1，达到最大值时，从零开始。

 

3.TCP关闭连接（四次挥手）

 

四次挥手过程：

（1）主机A想终止连接，于是发送一个标识了FIN，ACK的数据段，***为a，确认***为b。

（2）服务器A回应一个标识了ACK的数据段，***为b，确认序号为a+1，作为对主机A的FIN报文的确认。

（3）服务器A想终止连接，于是向主机A发送一个标识了FIN的数据段，***为b+1，确认***为a+1。

（4）主机A回应一个标识了ACK的数据段，***为a+1，确认序号为b+1，作为对服务器A的FIN报文的确认。

总的来说：就是服务器A想要断开连接时，ACK确认字段和FIN终止字段不能同时发送。

 

二、UDP协议

       UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是面向非连接的协议，它不与对方建立连接，而是直接就把数据包发送过去。UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境。

      当应用程序对传输的可靠性要求不高，但是对传输速度和延迟要求较高时，可以用UDP协议来替代TCP协议在传输层控制数据的转发。UDP将数据从源端发送到目的端时，无需事先建立连接。UDP采用了简单、易操作的机制在应用程序间传输数据，没有使用TCP中的确认技术或滑动窗口机制，因此UDP不能保证数据传输的可靠性，也无法避免接收到重复数据的情况。

 

1. UDP头部格式

 

       UDP报文分为UDP报文头和UDP数据区域两部分。UDP头部仅占8字节，传输数据时没有确认机制。报头由源端口、目的端口、报文长度以及校验和组成。UDP适合于实时数据传输，如语音和视频通信。相比于TCP，UDP的传输效率更高、开销更小，但是无法保障数据传输的可靠性。

UDP头部的标识：

      16位源端口号：源主机的应用程序使用的端口号。

      16位目的端口号：目的主机的应用程序使用的端口号。

      16位UDP长度：是指UDP头部和UDP数据的字节长度。因为UDP头部长度为8字节，所以该字段的最小值为8。

      16位UDP校验和：该字段提供了与TCP校验字段同样的功能;该字段是可选的。

 

三、TCP/UDP协议的差别

差别	TCP	UDP
是否面向连接	面向连接	面向非连接
传输可靠性	可靠	不可靠
是否流量控制	流量控制	不提供流量控制
应用场合	传输大量数据	传输少量数据
速度	慢	快
协议开销	大	小