图解TCP、UDP，流量控制，拥塞控制，一次看懂

墨蓝 2023-10-13 12:53 27阅读 0赞

**一、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

**1、TCP首部**

![77afb63b86987bf7c40ff03d1fc6e70b.png][]

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、ACK、FIN、PUSH、URG、RST）

SYN：同步序号位，TCP建立连接时要将这个值设为1

ACK：为1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）

**2、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)

**3、拥塞控制什么是拥塞**

![58d2b472c81d62f90645489c7fc7352c.png][]

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

慢开始 + 拥塞避免算法

> MSS：TCP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

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快重传

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

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

![741f22956bb5f296509eedcac414e143.png][]

快恢复慢开始 + 拥塞避免+快重传 + 快恢复结合

![712363978adc039167c8149e71bad554.png][]

**4、三次握手，四次挥手**

**4.1 三次握手**

发送端：SYN=1、seq=x

接收端：ACK=1、ack=x+1、SYN=1、seq=y

发送端：ACK=1、ack=y+1、seq=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

![f2fd0138cd57563ca855cfa10385c6ed.png][]

**4.2 四次挥手**

发送端：FIN=1，ACK=1，seq=u，ack=v（u等于发送端已传送过的数据的最后一个字节序号+1，v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=1，ack=u+1，seq=v

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

发送端：ACK=1，ack=w+1，seq=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

> 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

![10e802d0795b714eeb394e985c0ecea3.png][]

**4.3 保活计时器**

![6fb6e02607b4bc64a71bfd868e892aaa.png][]

**4.4 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。

**4.5 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

![a3a13550bb71def6e3d64acdb2347c18.png][]

**4.6 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

**4.7 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。

**5、tcp 怎样保证数据正确性？**

> 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 当 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。
> 
> 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。
> 
> 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、UDP**

![f88797f467a6d8062b9d8ebb6ce512f8.png][]

**三、TCP/UDP对比TCP/IP协议架构**

![f9e3f52db48796f4803e4a5c67fa9491.png][]

对比

![ff1bc3dbe8d630530d7b8989ce66bdbe.png][]

**1、是否面向连接**

UDP：无连接

TCP：面向连接（三次握手，四次挥手）

![1adbe945c42b040191fbe5173cc6c514.png][]

**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

![39b0f1312c41afb2f2d20af0912fca72.png][]

**3、对应用层报文的处理**

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）

![b2e51f1bc3f9b8f98934a4d674c0090f.png][]

**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

![fe2a0ff197e200823ade7a075c28d0cb.png][]

**5、首部开销**

UDP：8个字节

TCP：最小20字节，最大60字节

![e9d770938c97e258eba3cd402e05fe94.png][]

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