TCP/UDP报文格式及各种通信机制简介

TCP/UDP报文格式及各种通信机制简介

一、UDP报文

二、TCP报文

三、TCP通信机制

1，确认应答机制

2，超时重传机制

3，滑动窗口及快重传机制

4，流量控制

5，拥塞控制及慢启动机制

6，延迟应答

7，捎带应答

8，粘包问题

一、UDP报文

????UDP报文结构如下图所示：

????UDP报文中包含 ：（1）?16位源端口和目的端口，用于表示自己的端口号和将要发送的目的端口号。 （2）?16位UDP长度，表示8字节报头和UDP数据的总长度，用于确定报文长度。 （3）?16位校验和，用于在接收端对比校验，确定接收的UDP报文是否有错。（4）?UDP数据信息。

????UDP特点：（1）?无连接，UDP直接通过IP和端口号通信，不需要建立链接。（2）?面向数据报，不能够灵活的控制读写数据的次数和数量。发送的数据会被一次全部发送或接收比如要发100个字节，就只能一次把100字节全部发送，接收也只能一次接100个字节，并且报文不保证按序接收，缓冲区满了就不接收报文，这也是不可靠的原因。（3）?不可靠传输，没有确认机制；如果发送故障，UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息。只发送数据，不负责校验，但是协议简单。

二、TCP报文

????TCP报文结构如下图所示：

????TCP报文中包含 ：（1）?16位源端口和目的端口。 （2）?32位序号，给报文序号，保证报文有序，可提高可靠性。 （3）?32位确认序号，当接收端收到发送端报文后，需要给发送端回复一个确认应答的报文，告诉发送端自己收到上一条信号，并且确认序号=发送端报文序号+1。（4）?4位首部长度，用于确定报头长度，假如是“1111”，则报头长度为4x15=60。（5）?SYN标志位，在TCP建立连接也就是三次握手时，建立连接方SYN标志位置1。（6）?ACK标志位，接收端接收到发送端的报文时，需要给发送端确认应答，告诉发送方报文已收到。（7）?PSH标志位，提醒接收端尽快把缓冲区的数据读取。（8）?RST标志位，链接建立异常，重新建立连接。在三次握手时，最后一次发送端发送ACK，发送端认为自己建立链接成功，接收端接收到ACK确认建立链接，如果接收端ACK丢失，发送端以为完成建立链接，接收端认为还没有，发送端后面发送信息，接收端返回RST。（9）?FIN标志位，在断开连接时，FIN置1。（10）?URG标志位，正常情况下，TCP报文都是按序发送，接收端按序接收,但是如果其中有个报文优先级比较高，则可以通过URG+16位紧急指针进行优先读取。（11）?16位紧急指针，标识那部分是紧急数据，确定紧急数据在报文中的偏移量。（12）?16位窗口大小，为了防止接收方缓冲区快速被填满，需要流量控制，用窗口大小表示自身的接收缓冲区的剩余空间大小，对方根据剩余缓冲区大小调制发送接收速度。（13）?16位校验和，检验数据是否有错。（14）?选项，选项大小=首部长度确定的报头长度-20个固定字节。（15）?数据。

????TCP特点：（1）?有连接，通信需要建立链接。（2）?面向字节流，发送接收端可将报文分多次发送，可以一次读写若干字节，也可以一次全读写完。（3）?可靠传输，有确认应答，超时重传，流量控制，拥塞控制等机制保证TCP报文可靠性传输。

三、TCP通信机制

1，确认应答机制

????发送端在发送数据后，接收端收到发送端数据，就需要给发送端一个应答报文其中ACK置1并且确认序号为是一个报文序号+1，告诉发送端上一个报文我们收到了，并且下一个报文你可以按确认序号开始往后标号。如发送端发送数据1-1000，接收端返回ACK并且确认序号为1001。

2，超时重传机制

????如果我们发送端发送一个数据后，等待一定时间没有收到接收端返回的应答报文，那么我们就认为上一个发送的报文丢失了，接收端没有收到，我们就需要重新发送。在LIUNX中第一次等待500ms，第二次2x500ms，第三次3x500ms.后面类推。

3，滑动窗口及快重传机制

????发送端一次发送窗口大小的数据，暂时不用管ACK，后续收到对方的ACK时窗口移动，继续发送数据。滑动窗口大小受16位窗口大小和拥塞窗口控制，并且收到ACK后，滑动窗口不一定滑动，有3种情况:

????（1）?发送端收到ACK，窗口滑动。

????（2）?发送端收到ACK，但接收端缓冲区满，接收不了数据了，窗口不滑动，窗口变小。

????（3）?发送端收到ACK，但接收端接收数据的能力大量，窗口滑动，并且变大。

????滑动窗口丢包情况：

????（1）?ACK丢了：数据包到了接收端，接收端会对每个字段的数据回复一个ACK，如果窗口之间由一个字段的ACK没收到无所谓，可以通过后续的字段的ACK确认也可以。

????（2）?数据包丢了：窗口之间的某个字段的包丢了，后续的确认ACK，只能收到丢包之前的确认序号和ACK，当收到3次重复的确认应答，需要重新发丢包的字段，然后接收端发送后续字段的确认应答，如果后面仍然丢包，重复上述操作，如果后续的数据都收到了，直接回复最后一个字段的确认应答ACK(快重传机制)

????有超时重传为什么还需要快重传？

????因为如果后续的数据字段不够3个，就无法收到三个同样的ACK，就无法进行快重传，就只能进行> 超时重传机制，超时重传机制是保底机制

4，流量控制

????流量控制是网络防止发送数据过多导致接收端缓冲区满了，收不下数据而丢包，因此发收数据必须适配，进行流量控制，通过16位窗口大小控制流量，存放接收缓冲区的大小，发送给对方，进行流量控制。

5，拥塞控制及慢启动机制

????当网络中出现大量丢包现象时，网络可能出现拥塞，此时我们不能直接重传数据，不能加重拥塞问题，应该尽量不发或少发数据，等网络恢复再正常发送。 此时我们因先等待一段时间，后面需要引入慢启动机制：先发少量数据，检测是否收到ACK，收到ACK后，可以慢慢恢复数据量。而此时我们需引入一个概念，拥塞窗口：他一个数字，表示可能引发拥塞的阈值，发送的数据量大于拥塞窗口， 可能引发网络拥塞问题，拥塞窗口的数值不是确定的，根据网络状况而定，每台主机都要有拥塞窗口，且拥塞窗口不一样，并且我们可以用拥塞窗口进行控制滑动窗口大小。拥塞窗口以指数增长（2^n），指数增长达到通信阈值后就以线性方式增长并且达到正常通信阶段。

6，延迟应答

???? 接收端不急着应答，然后上层可能会取走更多缓冲区的数据，使得下次更新窗口时使滑动窗口变大提高吞吐量，实现速率提升。

7，捎带应答

???? 发送确认ACK时，也捎带发送数据一起发送过去，既有确认功能也有发送功能。

8，粘包问题

???? 在接收端读取报文时，一个报文被读了一部分，或者把旁边的报文也读取了一部分，而导致读取的报文不完整，就不能直接用。如同拿一个包子，包子黏在一起，取包的时候把旁边的包子也撕下来一点，照成包子不完整，因此包子与包子之间要有边界，不能连在一起，故报文与报文之间也要有边界，我们可以通过如下几个方法区分报文：1，定长报文 。2，特殊字符。 3，自描述(读取前几个字节，这几个字节中确定有效载荷长度)+定长。 4，自描述+特殊字符(空行)UDP的长度都是固定的，不存在粘包。