TCP 和 UDP 基本原理

TCP/IP 协议族的传输层协议主要包括 TCP（Transfer Control Protocol，传输控制协议）
和 UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。TCP 是面向连接的可靠的传输层协议。
它支持在并不可靠的网络上实现面向连接的可靠的数据传输。UDP 是无连接的传输协议，主要
用于支持在较可靠的链路上的数据传输，或用于对延迟较敏感的应用。

一、TCP/IP传输层的作用
1、传输层的作用
 提供面向连接或无连接的服务
 维护连接状态
 对应用层数据进行分段和封装
 实现多路复用
 可靠地传输数据
 执行流量控制

二、 TCP协议基本原理
1、TCP 协议的特点
RFC 793 定义的 TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接
的、端到端的可靠传输协议。TCP 的主要特点包括：
 三次握手（Three-Way Handshake）建立连接：确保连接建立的可靠性。

 端口号：通过端口号标识上层协议和服务，实现了网络通道的多路复用。

 完整性校验：通过对协议和载荷数据计算校验和（Checksum），保证了接收方能检测
出传输过程中可能出现的差错。

 确认机制：对于正确接收到的数据，接收方通过显式应答通告发送方，超出一定时间
之后，发送方将重传没有被确认的段，确保传输的可靠性。

 序列号：发送的所有数据都拥有唯一的序列号，这样不但唯一标识了每一个段
（segment），而且明确了每个段在整个数据流中的位置，接收方可以利用这些信息实
现确认、丢失检测、乱序重排等功能。

 窗口机制：通过可调节的窗口，TCP 接收方可以通告期望的发送速度，从而控制数据
的流量。

2、TCP 封装

 源端口（Source Port）：16 位的源端口字段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。

 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。

 序列号（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 用序列号对每个字节进行计数。序列号是一个 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
序号应该是上次已成功收到的数据字节序列号加 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。

 数据偏移（Data Offset）：这个 4 位字段包括 TCP 头大小，以 32 位数据结构（字）
为单位。

 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，这六个标志从
左至右是
URG（Urgent Pointer field significant，紧急指针字段标志）
ACK（Acknowledgment field significant，确认字段标志）
PSH（Push Function，推功能）
RST（Reset the connection，重置连接）
SYN（Synchronize sequence numbers，同步序列号）
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（Options）：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，源和目的机器要对此达成一致。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。

 数据（Data）：从技术上讲，它并不是 TCP 头的一部分，但应该了解到，数据字段位
于紧急指针和/或选项字段之后，填充字段之前。字段的大小是最大的 MSS，MSS 可
以在源和目的机器之间协商。数据段可能比 MSS 小，但却不能比 MSS 大。

3、TCP/UDP 端口号
协议号 6 标识 TCP，用协议号 17 标识 UDP

4、TCP 连接的建立
TCP 是一个面向连接的可靠的传输控制协议，在每次数据传输之前首先需要建立连接，连
接建立成功后才开始传输数据，数据传输结束后还要断开连接

TCP 的三次握手建立连接的过程如下：

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 x，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 x，发送序列号为 y 的包，同时将 ACK 置为有
   效，将确认号置为 x+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 x+1、
   序列号为 y 的包后，发送序列号为 x+1、确认号为 y+1 的段进行确认

4. HostB 收到确认报文后，连接建立。
   这样，一个双向的 TCP 连接就建立好了，双方可以开始传输数据。

5、TCP 连接的拆除

上图所示是一个常规的 TCP 连接终止过程。当数据传输结束后，需要断开连接，其过程描
如下：

1. HostA 要求终止连接，发送序列号为 u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 u+1，同时关闭连接。

3. HostB 发送序列号为 w 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 u+1，同时关闭连接。
   TCP 连接至此终止。可见这是一个四次握手过程