TCP/UDP

TCP

：传输控制协议（Transmission Control Protocol）

• 属于传输层协议，规定了网络上的主机之间如何传输数据。
• 采用 C/S 架构，需要一方作为服务器保持运行。
• 特点：
  • 全双工通信。
  • 面向连接：通信双方在通信之前要先建立连接，作为信道。
  • 传输可靠：
    • 会确认对方是否收到消息，如果未收到则自动重发。
    • 可进行差错控制，如果对方收到的消息出错，则自动重发。
    • 发送的数据包带有序号，接收方可按顺序处理。
    • 可实现流量控制、拥塞控制。
• 大部分应用层协议都是基于 TCP 进行通信的，比如 HTTP、FTP、SMTP 等。

数据包结构

TCP 数据包的结构如下：

• Source Port ：源端口，长度为 16 bit 。
• Dest Port ：目标端口，16 bit 。
• Seq number ：序列号，32 bit ，用于保证消息顺序。
• Ack number ：确认号，32 bit ，表示期望收到的下一个序列号，用于标识符 ACK=1 的情况。
• Data offset ：偏移量，4 bit 。表示 Payload 的起始坐标，即 TCP Header 的总长度。
• Reserved ：保留给未来使用，3 bit ，默认值为 0 。
• Flag ：标志符，9 bit 。每个 bit 代表一个标志位，默认值为 0 。
  • NS
  • CWR
  • ECE
  • URG=1 ：表示该数据是紧急数据，应该被优先处理。
  • ACK=1 ：表示确认。
  • PSH=1 ：表示发送方应该立即将该数据打包成一个 TCP 数据包发送，接收方也应该立即将该数据上报给上层程序。
    • TCP 模块在发送数据时，一般会等发送缓冲区满了，才打包成一个 TCP 数据包发送。同理，接收数据时也一般会等接收缓冲区满了才上报。
    • 一般一个应用层的报文会被切分成多个 TCP 数据包发送，最后一个 TCP 数据包会设置成 PSH=1 。
  • RST=1 ：用于重新建立 TCP 连接，也可用于拒绝连接。
  • SYN=1 ：用于建立 TCP 连接，开始同步。
  • FIN=1 ：用于断开 TCP 连接。
• Window size
• Checksum ：校验和，16 bit 。
• Urgent pointer
• Options
• Payload ：有效载体，即该数据包要传递的实际数据。
  • Payload 之前的其它数据都只是用于描述 TCP 数据包的元数据，称为 TCP Header 。
  • 以太网中网卡的 MTU 通常设置为 1500 ，因此如果 TCP 报文超过该长度，转换成 IP 数据包时就需要拆分成多份。

建立连接

• 建立 TCP 连接时需要经过三个步骤，称为 "三次握手" ：

  1. 主机 A 发送一个 SYN=1 的 TCP 包，表示请求连接。
  2. 主机 B 收到后，回复一个 SYN=1、ACK=1 的 TCP 包，表示允许连接。
  3. 主机 A 收到后，发送一个 ACK=1 的 TCP 包，表示正式建立连接。
     • 主机 A 收到第 2 步发送的包时，证明了自己发送的包能被对方接收，而对方发送的包也能被自己接收，因此判断双方能够相互通信。
     • 主机 B 收到第 3 步发送的包时，才判断双方能够相互通信。

• 主动连接方称为 client ，被动连接方称为 server 。

  • 通信双方都要发送一个 SYN、一个 ACK 。
  • 建立连接之后，双方便可以开始正式通信，发送任意个包含有效载体的 TCP 数据包。

断开连接

• 断开 TCP 连接时需要经过四个步骤，称为 "四次分手" ：
  1. 主机 A 发送 FIN ，表示请求断开连接。
  2. 主机 B 收到后，先回复 ACK ，表示同意断开连接。
     准备好了之后也发送 FIN ，请求断开连接。
  3. 主机 A 收到后，发送一个 ACK ，表示自己已经断开连接。
  4. 主机 B 收到后，正式断开连接。
• client、server 都可以主动断开连接。
  • 通信双方都要发送一个 FIN、一个 ACK 。

传输数据包

重传

• 建立 TCP 连接之后，通信双方可以开始传输数据包。
  • 发送方每发送一个数据包之后，都需要接收方回复一个包含相应序列号的 ACK 包，才能确认发送成功。
• 超时重传
  • ：如果发送方发送一个数据包之后，超过 RTO(Retransmission Timeout) 时间未收到 ACK 包，则重新发送原数据包。
  • RTO 应该略大于 RTT 。例如 Linux 会根据网络实时的平均 RTT ，动态设置 ERO 。
    • 往返时间（Round Trip Time ，RTT），表示从发出数据包到收到回复的耗时。是端到端延迟的两倍。
  • 超时的常见原因：
    • 网络延迟突然变大
    • 发送的数据包丢失
    • 回复的 ACK 包丢失
• 快速重传
  • ：如果发送方发送一个数据包之后，没有受到 ACK 包，但之后发送的 3 个数据包都收到 ACK 包，则认为前一个数据包发送失败，立即重传。

流量控制

• 滑动窗口
  • ：接收方将接收窗口的大小告诉发送方，发送方由此确定发送窗口，可以每次发送多个数据包，再等待确认。
  • 这可以实现流量控制，控制传输速度。
• 发送窗口
  • ：指发送方能同时发送的数据包数，即最多允许多少个数据包等待确认，此时不允许发送新的数据包。
  • 它不能超过网络允许带宽、接收方的接收缓冲区，否则会丢包。
  • 发送窗口取决于接收窗口，近似相等

拥塞控制

• 网络拥塞：当网络延迟变大、发生丢包时，会引发超时重传，但重传的数据包又会增加网络负载，导致延迟更大、丢包率更高。

• 为了减轻网络拥塞，发送方会动态计算一个拥塞窗口，并限制发送窗口不能大于接收窗口或拥塞窗口。

• BBR

  • ：Google 于 2016 年发布的一种 TCP 拥塞控制算法。在延迟超过 100ms 、丢包率超过 1% 的场景下，能在发送 TCP 包时明显提高吞吐量、降低延迟。
  • 当网络链路拥塞时，传统的拥塞控制算法 Reno、Cubic 会将数据包放到缓冲区再发送，因此增加了延迟。而 BBR 算法会避免使用缓冲区。
  • Linux 内核 4.9 加入了 BBR 算法，可通过 sysctl 启用。
  • 拥塞控制算法只作用于 TCP 通信的一方，因此发送方、接收方可以采用不同的算法。

UDP

：用户数据报协议（User Datagram Protocol）

• 特点：
  • 全双工通信。
  • 面向无连接。
  • 传输不可靠。
• UDP 与 TCP 对比：
  • UDP 没有 TCP 的诸多功能，更像是 IP 协议，只是简单地发送数据包。
  • UDP 的开销更低。比如 TCP 需要一直运行一个服务器，而 UDP 适合用作即时通信、广播消息。
  • 使用 UDP 时，如果需要差错控制等可靠性，可由应用层实现。
• 少部分应用层协议是基于 UDP 进行通信的，比如 DHCP、DNS、SNMP、RIP 等。