图解TCP,UDP,流量控制,拥塞控制,一次看懂

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

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

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

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

快恢复

慢开始拥塞避免快重传快恢复结合

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

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

4.3 保活计时器

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

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