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TCP和UDP的区别,深入了解TCP三次握手和四次挥手的全过程

发布时间:2021-11-25 14:37:03

一、TCP协议:

       位于传输层, 提供可靠的字节流服务。所谓的字节流服务(Byte Stream Service) 是指, 为了方便传输, 将大块数据分割成以报文段(segment) 为单位的数据包进行管理。 而可靠的传输服务是指, 能够把数据准确可靠地传给对方。 即TCP 协议为了更容易传送大数据才把数据分割, 而且 TCP 协议能够确认数据最终是否送达到对方。所以,TCP连接相当于两根管道(一个用于服务器到客户端,一个用于客户端到服务器),管道里面数据传输是通过字节码传输,传输是有序的,每个字节都是一个一个来传输。

 

(1)、三次握手:握手过程中使用了 TCP 的标志(flag) —— SYN(synchronize) 和ACK(acknowledgement) 。

 

第一次握手:建立连接时,客户端A发送SYN包(SYN=j)到服务器B,并进入SYN_SEND状态,等待服务器B确认。

第二次握手:服务器B收到SYN包,必须确认客户A的SYN(ACK=j+1),同时自己也发送一个SYN包(SYN=k),即SYN+ACK包,此时服务器B进入SYN_RECV状态。

第三次握手:客户端A收到服务器B的SYN+ACK包,向服务器B发送确认包ACK(ACK=k+1),此包发送完毕,完成三次握手。


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若在握手过程中某个阶段莫名中断, TCP 协议会再次以相同的顺序发送相同的数据包。

 2)、四次挥手:由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方被动关闭。

 

客户端A发送一个FIN,用来关闭客户A到服务器B的数据传送。

服务器B收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1。

服务器B关闭与客户端A的连接,发送一个FIN给客户端A。

客户端A发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1。

三次握手和四次挥手:在TCP连接中,服务器端的SYN和ACK向客户端发送是一次性发送的,而在断开连接的过程中, B端向A

端发送的ACK和FIN是分两次发送的。因为在B端接收到A端的FIN后, B端可能还有数据要传输,所以先发送ACK,等B端处理完自己的事情后就可以发送FIN断开连接了。

 

3)、深入理解TCP连接:

 

由于TCP是全双工的,因此在每一个方向都必须单独关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个FIN只意味着这个方向上没有数据流动,一个TCP连接在接收到一个FIN后仍能发送数据。 首先进行关

闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。

TCP协议的连接是全双工连接,一个TCP连接存在双向的读写通道。简单来说,是“先关读,再关写” ,总共需要4个阶段。以客户机发起关闭连接为例:1.服务器读通道关闭;2.客户端写通道关闭;3.客户端读通道关闭;4.服务器写通道关闭。

关闭行为是在发起方数据发送完毕之后,给对方发出一个FIN(finish)数据段,直到接收到对方发送的FIN,且对方收到了接收确认的ACK之后,双方的数据通信完全结束,过程中每次都需要返回确认数据段ACK。

 

4)、TCP使用滑动窗口机制来进行流量控制。

建立连接时,各端分配一个缓冲区用来存储接收的数据,并将缓冲区的尺寸发送给另一端。接收方发送的确认消息中包含了自己剩余的缓冲区尺寸。剩余缓冲区空间的数量叫做窗口。其实就是建立连接的双虎互相知道彼此剩余的缓冲区大小。


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5)、拥塞控制

 

拥塞控制:防止过多的数据注入到网路中,这样可以使网络中的路由器或链路不至于阻塞。拥塞控制是一个全局性的过程,和流量控制不同,流量控制是点对点的控制。

 

1、慢开始:发送方维持一个叫做拥塞窗口cwnd(congestion window)的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度,并且动态的变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口,另外考虑到接收方的接收能力,发送窗口可能小于拥塞窗口。思路就是:不要一开始就发送大量的数据,先试探一下网络的拥塞程度,也就是说由小到大增加拥塞窗口的大小。

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为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞,还需要设置一个慢开始门限ssthresh状态变量。 ssthresh的方法如下:

cwnd < ssthresh时,开始使用慢开始算法;当cwnd > ssthresh, 改用拥塞避免算法;当cwnd = ssthresh时,慢开始与拥塞算法任意。

 2.拥塞避免:

 

拥塞避免算法让拥塞窗口缓慢增长,即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1,而不是加倍,这样拥塞窗口按照线性规律缓慢增长。无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段,只要发送方判断网络出现拥塞(其根据就是没有收到确认,虽然没有收到确认可能是其他原因的分组丢失,但是因为⽆法判定,所以都当作拥塞处理),就把慢开始门限设置为出现拥塞时的发送窗口的一半,然后把拥塞窗口设置为1,执行慢开始算法:

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此外,还有快速重传和快速恢复,停止-等待协议,回退N帧协议,选择重传协议等。

 

二、UDP协议:

无连接协议,也称透明协议,也位于传输层。

 

两者区别:

 

1) TCP提供面向连接的传输,通信前要先建立连接(三次握手机制); UDP提供无连接的传输,通信前不需要建立连接。

2) TCP提供可靠的传输(有序,无差错,不丢失,不重复); UDP提供不可靠的传输。

3) TCP面向字节流的传输,因此它能将信息分割成组,并在接收端将其重组; UDP是面向数据报的传输,没有分组开销。

4) TCP提供拥塞控制和流量控制机制; UDP不提供拥塞控制和流量控制机制。

 

 

三、长连接和短连接

       HTTP的长连接和短连接本质上是TCP长连接和短连接。HTTP属于应用层协议,在传输层使用TCP协议,在网络层使用IP协议。 IP协议主要解决网络路由和寻址问题,TCP协议主要解决如何在IP层之上可靠地传递数据包,使得网络上接收端收到发送端所发出的所有包,并且顺序与发送顺序一致。TCP协议是可靠的、面向连接的。

 

HTTP/1.0中默认使用短连接。也就是说,客户端和服务器每进行一次HTTP操作,就建立一次连接,任务结束就中断连接。当客户端浏览器访问的某个HTML或其他类型的Web页中包含有其他的Web资源(如JavaScript文件、图像文件、CSS文件等),每遇到这样一个Web资源,浏览器就会重新建立一个HTTP会话。

 

而从HTTP/1.1起,默认使用长连接,用以保持连接特性。使用长连接的HTTP协议,会在响应头加入这行代码:

 

Connection:keep-alive

 

在使用长连接的情况下,当一个网页打开完成后,客户端和服务器之间用于传输HTTP数据的TCP连接不会关闭,客户端再次访问这个服务器时,会继续使用这一条已经建立的连接。Keep-Alive不会永久保持连接,它有一个保持时间,可以在不同的服务器软件(如Apache)中设定这个时间。实现长连接需要客户端和服务端都支持长连接。

 

HTTP协议的长连接和短连接,实质上是TCP协议的长连接和短连接。


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