TCP/IP傳輸層，你懂多少？

lostinai發表於2014-01-02
TCP

原創地址：http://java-mzd.iteye.com/blog/1007577，寫的很好，建議到原創地址欣賞原文，此處僅作備份。

 

1. 傳輸層的主要功能是什麼？
2. 傳輸層如何區分不同應用程式的資料流？
3. 傳輸層有哪些協議？
4. 什麼是UDP協議？
5. 為什麼有了UDP，還需要TCP？
6. 什麼是TCP協議？
7. 怎麼理解協議和程式？
8. TCP是否真的有連結？
9. 連結是如何建立的（邏輯上）？
10. 所謂的建立TCP連結開銷很大，具體是指什麼？
11. 三次握手的目的是什麼？
12. TCP如何提供可靠性？
13. 什麼是預期確認？什麼是肯定確認與重新傳輸？哪些情況會重傳？
14. TCP中，序列號和應答號有哪些作用？
15. TCP連結中，網路失敗，是怎麼判斷的？
16. 為什麼需要視窗技術？
17. 如何實現流量控制？
18. UDP的開銷很小，具體是指什麼？
19. UDP資料包、TCP資料包大小如何確認？
20. UDP適合哪些環境？TCP適合哪些環境？

 

 

一。傳輸層的主要功能是什麼？

 分割並重新組裝上層提供的資料流，為資料流提供端到端的傳輸服務。

 

二。傳輸層如何區分不同應用程式的資料流？

 

因為，對應傳輸層而言，它只需要知道目標主機上的哪個服務程式來響應這個程式，而不需要知道這個服務程式是幹什麼的。因此，我們只需要能夠抽象的表示出來這些應用程式和服務程式即可。我們使用埠號來抽象標識每個網路程式。

 

傳輸層的TCP和UDP可以接收來自多個應用程式的資料流，用埠號標識他們，然後把他們送給Internet層處理；

同時TCP和UDP接收來自Internet層的資料包，用埠號區分他們，然後交給不同的應用程式。



 
因此：在同一IP地址（同一個目標主機）上不同的埠號是兩個不同的連結。IP地址和埠號用來唯一的確定網路上資料的目的地。

 

三。傳輸層有哪些協議？


傳輸層的兩大協議：TCP（傳輸控制協議）UDP（使用者資料包協議）
TCP是一個可靠的面向連結的協議，UDP是不可靠的或者說無連線的協議。
可以用打電話和發簡訊來說明這種關係：

UDP就好似發簡訊，只管發出去，至於對方是不是空號（網路不可到達）能不能收到（丟包）等並不關心。

TCP好像打電話，雙方要通話，首先，要確定對方不是開機（網路可以到達），然後要確定是不是沒有訊號（），然後還需要對方接聽（通訊連結）。

 

四。什麼是UDP協議？


UDP資料包結構如下圖所示

 

源埠(16)

目標埠(16)

報文長度(16)

校驗和(16)

資料（可變）

UDP為應用程式提供的是一種不可靠的、無連線的分組交付，因此，UDP報文可能會出現丟失、亂序、重複、延時等問題。

因為它不提供可靠性，它的開銷很小。（開銷很小具體指什麼？下文揭祕）

 

五。為什麼有了UDP，還需要TCP？

問題4中已經說到，UDP為應用程式提供的是一種無連線、不可靠的分組交付。當網路硬體失效或者負擔太重時，資料包可能就會產生丟失、重複、延時、亂序的現象。這些都會導致我們的通訊不正常。如果讓應用程式來擔負差錯控制的工作，無疑將給程式設計師帶來許多複雜的工作，於是，我們使用獨立的通訊協議來保證通訊的可靠性是非常必要的。

 

六。什麼是TCP協議？

 傳輸控制協議TCP是一個面向連結的、可靠的通訊協議。


1. 在開始傳輸前，需要進行三次握手建立連結
2. 可靠性：在傳輸過程中，通訊雙方的協議模組繼續進行通訊
3. 通訊結束後，通訊雙方都會使用改進的三次握手來關閉連結


TCP資料包結構如下圖

 

源埠(16)

目標埠(16)

序號(32)

應答號(32)

頭長度(4)

保留(6)

編碼位(6)

視窗(16)

校驗和(16)

緊急(16)

可選項(如果有，0或32)

資料(可變)

 

 

**七。怎麼理解協議和程式？**

如同我們自定義的應用層協議一樣：協議只是給出了一組規範，規定我們應該怎麼樣（按什麼規則）儲存資料。

在計算機間傳輸的永遠都是二進位制位元組碼（對於傳輸層，可以理解為傳輸的始終是下層的IP資料包），是計算機中的程式通過對這些位元組碼進行邏輯分析、判斷，來控制程式完成差錯控制等功能。
至於解析這些位元組碼的程式，則可以有不同的實現，只要我們按照規則來解析，並作出相應的控制，我們大可以自己寫個程式是實現相應功能。

 

知道了這些後，顯然，我們也可以使用前面說的Jpcap，來自己實現一個基於Java的TCP或者UDP協議。可以參考Linux下的Tcp原始碼。

/net/ipv4/udp.c
/net/ipv4/datagram.c 
/net/ipv4/tcp_input.c 
/net/ipv4//tcp_output.c 
/net/ipv4/tcp.c  

 

八。TCP是否真的有連結？

我們都知道，TCP通過完成三次握手來建立連結的，但是這種連線是面向虛電路的，是物理上不存在的，只是雙方的TCP程式，邏輯上的認為建立了這樣的連結。 

 

九。連結是如何建立的（邏輯上）？

假設：當我們在主機A上啟動一個程式，通過TCP去連結主機B上的9091埠。



 整個過程是怎麼樣的呢？邏輯上我們可以這麼理解建立連結的過程：

  

1.SYN:seq=X;

1.1 A的TCP程式，為這個連結分配一個埠（設為9090）。
1.2 同時邏輯上的將TCP連線的狀態設定為：正在連線。（通過在連結狀態表中新增一條記錄，記錄中狀態為：正在連線）

猜想：

TCP程式中， 應該有張表來保持連結的狀態，其中每個狀態應該有：

本機地址（IP加port）、對方地址、連結狀態


1.3 同時，隨機生成一個初始序列號X，生成一個TCP包，將初始化序列號X設定為TCP中的序列號，傳送給主機B。

 

 

2.SYN:seq=Y ACK:ack=X+1;

2.1 B上TCP程式收到該資料包，查詢9091埠狀態，如果可以連結。
2.2 同樣的，在邏輯上的將TCP連線的狀態設定為：正在連線
2.3 同時，隨機生成一個初始化序列號Y，根據接收的序列號X，生成應答號X+1，生成一個TCP包，將序列號和應答號分別設定到TCP包頭中，將TCP資料包發給主機A。

 

3.SYN:seq=X+1 ACK:ack=Y+1.

3.1  A上的TCP程式接收到資料包，查詢9090埠狀態。
3.2 根據收到的SYN:seq=Y;ACK:ack=X+1; 封裝一個TCP包 SYN:seq=x+1;ACK:ack=Y+1;傳送給主機B。同時，TCP程式將連結狀態表中該條記錄狀態設定為已連線。
3.3 主機B收到資料包，TCP程式將連結狀態表中該條記錄狀態設定為已連線。

 

至此，一個TCP連結建立（三次握手）完成。
我們可以看到：
第一：傳送的都是IP資料包，其實只是將收到的資料包交給TCP程式處理。
第二：連結狀態，只是TCP程式中的一個邏輯狀態。

 

十：所謂的建立TCP連結開銷很大，具體是指什麼？

從九中，很容易看出。要簡歷TCP連結，必須進行三次IP資料包的成功傳輸。

 

十一：三次握手的目的是什麼？

TCP是面向連結的，在面向連結的環境中，開始傳輸資料之前，在兩個中端之間必須先建立一個連結。建立連結的過程可以確保通訊雙方在傳送應用程式資料包之前，都已經準備好了傳送和接收資料。並且使通訊雙方統一了初始化序列號。

 

十二：TCP如何提供可靠性？

在傳輸過程中，通訊雙方的協議模組繼續進行通訊，從而確保了傳輸的可靠性。
針對亂序：在通過三次握手進行連結時，序列號被初始化。在傳輸過程中，TCP繼續使用這個序列號來標記傳送的每一個資料段，沒傳送一個資料段，序列號加一。接收方依據序列號重灌收到的資料段。
針對丟包：在傳輸過程中，接收方收到一個資料段後，會用ACK應答碼向傳送端回覆一個IP包進行應答，確認號ACK用來告訴傳送端哪些資料包已經成功接收，傳送方對未被應答的報文段提供重傳。
針對重複：接收端收到資料段後，檢視序列號，如果已經成功接收改資料包，則丟棄後面這個資料段。
針對延時：延時造成的第一個問題，就是資料包達到接收端時亂序。
當延時嚴重時，接收端一直未收到資料段，則不會回覆ACK，傳送端認為丟包，重發。

 

十三：什麼是預期確認？什麼是肯定確認與重新傳輸？哪些情況會重傳？

1.確認號ACK會告訴傳送端哪些資料段已經成功接收，並且確認號會向傳送端指出接收端希望收到的下一個序列號。即，確實號ACK為上個資料序列號+1，這種機制稱為預期確認。


2.為了提高效率，我們在傳送端，將資料段儲存在緩衝區中，直道傳送端收到來自接收端的確認號。這種機制被稱為“肯定確認與重新傳輸”。


3.當傳送端在給定時間間隔內收不到那個資料段的應答時，傳送端就會重傳那個資料段。
情況1：網路延時/環路，資料段丟失
情況2：網路延時，資料段推遲到達
情況3：資料段成功到達，應答因為1.2不能達到。

 

 

 

十四： TCP中，序列號和應答號有哪些作用？

從以上10,11,12中，很明顯的可以看到

  1.  
    1.  
      1. 依靠序列號重組資料段
      2. 依靠資料包消除網路中的重複包
      3. 依靠序列號和應答號進行差錯重傳，提高了TCP的可靠性

十六：為什麼需要視窗技術？

前面我們已經說了，TCP的可靠性，是通過預期確認來實現的。即傳送方傳送一個資料段後，需要得到對方的確認後，才會傳送下一個資料段。
因此，假設一個資料段大小為64KB（IP包最大值），一次傳送和確認需要的時間為500MS，則，1S內，只能傳送128KB的資料，如果頻寬為1M，顯然很浪費頻寬。為了充分利用頻寬，我們使用視窗技術。滑動視窗允許傳送方在收到接收方的確認之前傳送多個資料段。（視窗大小決定了在收到確認前可以傳送的資料段數量）


 

十七：如何實現流量控制？

視窗數決定了當前傳輸的最大流量。當我們在傳輸過程中，通訊雙方可以根據網路條件動態協商視窗大小，調整視窗大小時，即可實現流量控制。（在TCP的每個確認中，除了ACK外，還包括一個視窗通知）

 

十八：UDP的開銷很小，具體是指什麼？

1.因為UDP是無連線的。在傳輸資料之前，不需要進行復雜的三次握手來建立連線。
2.在傳輸資料時，沒有協議間通訊流量（確認訊號），也不需要浪費不必要的處理時間（接收確認訊號再發一下）。
3；傳輸結束後，也不用再用改進的三次握手來埠連線。

 

十九：UDP資料包、TCP資料包大小如何確認？

  1.  

    1. 無論TCP還是UDP資料包，都需要交給Internet層封裝為IP包，而一個IP包，包頭中的長度位為16位，所以IP包最大為2的16方，即65535（64KB還需要減去各種包頭長度）。

    2. TCP因為面向流，且可以憑藉序列號對大檔案進行分段和重組，因此，TCP可以用來傳輸較大的檔案。而UDP，如果要傳輸大於64KB的資料，則需要自己在應用層進行差錯控制。

    3. 為了提高傳輸效率和減少網路通訊量（協議間的通訊），TCP也會一次傳輸足夠多的資料。

    4. 因為MTU的存在，TCP包和UDP包不是越大越好。（在路由中分包，在接收端重組，加大路由與接收端負擔，增大丟包概率。分組丟失，整個資料包重傳。）

二十：UDP適用哪些環境？TCP適用哪些環境？

適合UDP的環境：
1.在高效可靠的網路環境中（不需要考慮網路不好導致的丟包、亂序、延時、重複等問題），因為UDP是無連線的服務，不用消耗不必要的網路資源（TCP中的協議間通訊）和處理時間（預期確認需要的時間），從而效率要高的多。
2.在輕權通訊中，當需要傳輸的資料量很小（可以裝在一個IP資料包內）時。如果我們使用TCP協議，那麼，先建立連線，一共需要傳送3個IP資料包，然後資料傳輸，1個IP資料包，產生一個確認訊號的IP包，然後關閉連線，需要傳輸5個IP資料包。使用TCP協議IP包的利用率為1/10。而使用UDP，只需要傳送一個IP資料包。哪怕丟包（服務不成功），也可重新申請服務（重傳）。

注：而且無論UDP還是TCP，傳輸的都是IP資料包。當網路環境不好導致丟包時，無論TCP還是UDP都會丟包，這是沒有區別的。（如果考慮傳送丟包，那麼TCP效率更低），只是使用TCP，當連線建立成功後，TCP程式會進行可靠性控制。

UDP很適合這種客戶機向伺服器傳送簡單服務請求的環境。此類應用層協議包括TFTP , SNMP , DNS ,DHCP等。
3.在對實時性要求很強的通訊中：在諸如實時視訊直播等對實時性要求很高的環境中，從而允許一定量的丟包的情況下（直播比賽，前面丟失的包，重傳出來已經意義不大了），UDP更適合。（可以根據具體需要通過應用層協議提供可靠性，不用像TCP那麼嚴格。）

 

適合TCP協議的環境：

當網路硬體失效或者負擔太重時，資料包可能就會產生丟失、重複、延時、亂序的現象。這些都會導致我們的通訊不正常的時候。如果讓應用程式來擔負差錯控制的工作，無疑將給程式設計師帶來許多複雜的工作，於是，我們使用獨立的通訊協議來保證通訊的可靠性是非常必要的。

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