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为网络工程师小白特意准备TCP+UDP图解系列

更新时间:2022年11月30日   作者:spoto   标签(Tag):

此前,也在发表过关于TCP/IP的科普文章,不知道你是否看过?

那时,写文的初衷是为了更多感兴趣的网络工程师小白朋友可以看懂网络,从而愿意了解网络这行。

而今天准备了一份关于TCPUDP的图解,不仅有配图,更有文字解析,比起晦涩的专业分析,这篇文章更像是化繁为简的学习笔记。希望能够对网络工程师小白成功进阶有所帮助

为网络工程师小白特意准备TCP+UDP图解系列

 

这也是我选来对TCP这个选题专业性的补充,适合网络工程师朋友们明晰概念,深刻掌握理论知识。

 

一、图解TCP

  • TCP首部
  • 流量控制
  • 拥塞控制
  • 三次握手,四次挥手
  • tcp 怎样保证数据正确性?
  • 流量控制是为了让接收方能来得及接收,而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。

 

01 TCP首部

TCP首部

  • 源端口号
  • 目标端口号
  • 32位序列号
  • 32位确认号
  • 首部长度(单位为4字节,默认为5,即20字节)
  • 保留位(6位)
  • 6个控制位
  •  SYN同步序号位,TCP建立连接时要将这个值设为ACK1表示确认号
  • FIN发送端完成位,提出断开连接的一方把FIN置为1表示要断开连接
  • PUSH急迫位,缓存区将满,立刻传输速度
  • RST重置位,连接断了重新连接
  • URG紧急信号
  • 16位窗口大小:接收窗口大小,流量控制使用,如果窗口大小为0,可以发送窗口探测
  • 16位校验和:校验和用来做差错控制,TCP校验和的计算包括TCP首部、数据和其它填充字节。在发送TCP数据段时,由发送端计算校验和,当到达目的地时又进行一次检验和计算。如果两次校验和一致,说明数据是正确的,否则将认为数据被破坏,接收端将丢弃该数据。
  • 16位紧急指针:仅在URG控制位为 1 时有效。表示紧急数据的末尾在 TCP 数据部分中的位置。通常在暂时中断通信时使用(比如输入 Ctrl + C

 

02 流量控制

流量控制

 

流量控制,就是让发送方的发送速率不要太快,要让接收方来得及接收。利用滑动窗口机制,就可以很方便地在tcp连接上实现对发送方的流量控制。

TCP接收方利用自己的接收窗口的大小,来限制发送方发送窗口的大小。

  • 重传计时器
  • TCP发送方收到接收方的零窗口通知后,应启动持续计时器。持续计时器超时后,向接收方发送零窗口探测报文
  • 即使接收窗口为0,接收方也会接收:零窗口探测报文段、确认报文段、携带紧急数据的报文段

TCP发送方的发送窗口大小 = Math.min(自身拥塞窗口大小, TCP接收方的接收窗口大小)

 

03 拥塞控制

1、什么是拥塞?

什么是拥塞?

 

2、假定条件

数据是单方向发送,而另一方向只传送确认 接收方总是有足够大的缓存空间,因而发送方发送窗口的大小由网络的拥塞程度来决定,以最大报文段MSS的个数为讨论问题的单位,而不是以字节为单位。

 

3、慢开始 + 拥塞避免算法

MSSTCP最大报文段

ssthresh:慢开始门限 

cwnd:拥塞窗口 

swnd:发送窗口 

rtt:每次往返时间

慢开始 + 拥塞避免算法

 

4、快重传

快重传

 

5、慢开始 + 拥塞避免

慢开始 + 拥塞避免算法中,发送方把拥塞窗口cwnd又设置为1,并错误地启动慢开始算法,降低了传输效率。

慢开始 + 拥塞避免

 

6、收到3个重复确认

  • 接收方收到失序的报文段,立即发出重复确认
  • 发送方收到3个连续的重复确认,立即重传

 

7、快恢复

快恢复

 

8、慢开始 + 拥塞避免 + 快重传 + 快恢复结合

慢开始 + 拥塞避免 + 快重传 + 快恢复结合

 

04 三次握手,四次挥手

1、三次握手

  1. 发送端:SYN=1seq=x
  2. 接收端:ACK=1ack=x+1SYN=1seq=y
  3. 发送端:ACK=1ack=y+1seq=x+1
  • TCP规定:SYN被设置为1的报文段不能携带数据,但要消耗掉一个序号
  • TCP规定:普通的确认报文段如果不携带数据,则不消耗序号

TCP使用“三报文握手"建立连接

 

2、四次挥手

发送端:FIN=1ACK=1seq=uack=vu等于发送端已传送过的数据的最后一个字节序号+1v等于发送端之前已收到的数据的最后一字节序号+1

接收端:ACK=1ack=u+1seq=v

接收端:FIN=1ACK=1ack=u+1seq=ww:半关闭情况下,可能收到了数据)

发送端:ACK=1ack=w+1seq=u+1

TCP规定:终止位FIN等于1的报文段,即使不携带数据,也要一个消耗掉一个序号

MSL:最长报文段寿命,建议为2分钟

 

补充:为什么要等待2MSL

如果接收端发送FIN连接释放,发送端接收后发送ACK,如果丢失,会导致接收端超时重传,而无法进入CLOSED状态

 

3、保活计时器

保活计时器

 

4、半连接队列

服务器第一次收到客户端的 SYN 之后,就会处于SYN_RCVD 状态,此时双方还没有完全建立其连接,服务器会把此种状态下请求连接放在一个队列里,我们把这种队列称之为半连接队列。

 

5、三次握手能不能改成两次握手?

不能,TCP发送连接请求,但长时间没到达,然后触发了超时重传,又发送了一次,后建立连接,数据传输,并断开了连接。

但此时,之前没达到的请求报文段突然又到了接收端服务器,接收端服务器变成了ESTABLISHED状态,接收端一直在等发送端发送数据,白白浪费了主机很多资源,导致了错误。

 

三次握手能不能改成两次握手?

 

6、四次挥手能不能改成三次挥手?

不能,接收端可能还有数据没有发送,需要等待一段时间,发送完数据,才会发送FIN

 

7、SYN攻击

服务器端的资源分配是在二次握手时分配的,而客户端的资源是在完成三次握手时分配的,所以服务器容易受到SYN洪泛攻击。

SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址,并向Server不断地发送SYN包,Server则回复确认包,并等待Client确认。

由于源地址不存在,因此Server需要不断重发直至超时,这些伪造的SYN包将长时间占用未连接队列,导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃,从而引起网络拥塞甚至系统瘫痪。SYN 攻击是一种典型的 DoS/DDoS 攻击。

 

05 TCP怎样保证数据正确性?

1、差错控制

发送的数据包的二进制相加然后取反,检测数据在传输过程中的任何变化,如果收到段的检验和有差错,TCP 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。

编号 + 排序 TCP 给发送的每一个包进行编号,接收方对数据包进行排序,把有序数据传送给应用层确认 + 超时重传的机制。

TCP 发出一个段后,它启动一个定时器,等待目的端确认收到这个报文段。

如果不能及时收到一个确认,将重发这个报文段。

 

2、流量控制

TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间,TCP 的接收端只允许发送端发送接收端缓存区能接纳的数据。

当接收方来不及处理发送方的数据,能提示发送方降低发送的速率,防止包丢失。TCP 使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。

 

3、拥塞控制

当网络拥塞时,减少数据的发送。发送方有拥塞窗口,发送数据前比对接收方发过来的接收窗口,取两者的最小值---慢启动、拥塞避免、拥塞发送、快速恢复。

 

二、图解UDP

图解UDP

 

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三、TCP/UDP的图解对比

TCP/UDP的图解对比

 

1、是否面向连接

  • UDP:无连接
  • TCP:面向连接(三次握手,四次挥手)

是否面向连接

 

2、是否支持广播和多播

  • UDP:支持一对一,一对多,多对一和多对多交互通信
  • TCP:只能一对一通信

是否支持广播和多播

 

3、对应用层报文的处理不同

  • UDP:面向报文(对应用层交付的报文直接打包)
  • TCP:面向字节流(是tcp实现可靠传输,流量控制,拥塞控制的基础)

对应用层报文的处理不同

 

4、是否提供可靠传输

  • UDP:向上提供无连接不可靠服务
  • UDP:适用于实时应用(IP电话、视频会议等)
  • TCP:向上提供面向连接的可靠服务
  • TCP:适用于要求可靠传输的应用,例如文件传输

是否提供可靠传输

 

5、首部开销

  • UDP8个字节
  • TCP:最小20字节,最大60字节

首部开销

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文章来源:本文内容转载自一口Linux,并整理排版,转载请注明出处,侵删。

 

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