传输层_TCP&UDP

应用层中调用write/send``recv/read这些系统接口，并没有将数据发送到网络中，而是向下交付到传输层协议，具体什么时候发送数据，由传输层根据一些策略进行数据的实际发送。

传输层的主要功能就是负责 数据的传输，包括如果数据丢失，重复，乱序，发送太快太慢等等一些数据传输可靠性问题。传输层就是根据用户的要求从而解决数据传输的问题。传输层的协议主要由TCP和UDP两种协议。TCP协议是可靠传输的，如果用户想要更可靠的传输就用TCP协议；如果用户追求效率，那么可以使用UDP协议，它是不可靠的，没有面向连接的，因此速度会比TCP协议快一些。

一.UDP

1.1 UDP协议格式

由于UDP报头是固定8字节的，所以根据16位UDP长度与8字节，可以知道当前UDP报文中有效载荷的大小，因此不会出现有效载荷没有读完的情况。当把有效载荷读完后，UDP协议根据报头中的16位目的端口号，将有效载荷中的数据交付给上层应用程序。

由于传输层属于操作系统层，而UDP在内核中是一个结构体，在底层传输不需要序列化与反序列化，因为在所有操作系统中，都强制规定了协议结构体的报头大小位8字节，不用考虑内存对齐了。

1.2 特点

1. 无连接：知道对端的端口号即可通信，不用考虑对方在不在。
2. 不可靠：没有确认机制，没有重传机制
3. 面向数据报：应用层交给UDP多长的报文，UDP原样发送和接收。这种方式不够灵活，但简单。

1.3 UDP缓冲区

1. UDP没有真正意义上的发送缓冲区，调用sendto会直接交给内核，由内核将数据传给网络层协议后，进行后续传输。
2. UDP具有接收缓冲区，但这个缓冲区不能保证收到的UDP报的顺序和发送的一致，如果缓冲区满了，再到达的UDP数据就会被丢弃。
3. 使用UDP发送数据，一次最多只能发送64KB，超过该容量，用户只能自己分片。

二.TCP

2.1 TCP协议格式

• 4位首部长度：以4字节位单位，标识TCP报头的大小在20-60字节之间。根据这个字段，可以将TCP有效载荷与报头分离
• 32位序号、32位确认序号：TCP会给报文一个序号，这个序号能保证在TCP接收报文时，报文不会重复、不会丢失、接收顺序不会乱。32位确认序号就是对端告诉接收方，我接收到了确认序号之前的所有报文，你下次发送的报文序号应该从确认序号开始。
• 16位窗口大小：里面指明了自己接收缓冲区的剩余容量，防止对端发送消息过快/过慢，这种机制就是流量控制。
• URG：紧急指针标识位，标识该报文中有紧急数据
• ACK：标识该报文是一个应答报文
• PSH：催促对端快速处理缓冲区中的数据，让缓冲区的数据处于就绪状态
• RST：当客户端与服务器进行连接协商时，如果客户端认为连接建立成功，服务端连接失败。如果此时客户端发送消息，但是服务端因为没有连接，所以导致双方连接状态不一样，此时服务器就会给客户端发送一个RST报文，让客户端端重新建立连接
• SYN：标识该报文是在请求连接
• FIN：标识该报文是在请求断开连接
• 上面六位标志是为了区分不同种类的报文，对于每一种报文有其处理方式，并且多个标志可以同时设置。
• 紧急指针（带外数据）：填入紧急数据（1字节）在缓冲区中的偏移量，可以通过recv第四个参数flags设置为MSG__OOB

2.2 TCP可靠性

如果要理解TCP的可靠性，那么我们就要明白什么时候是不可靠的。比如丢包（大量，少量）、重复、乱序、发送太快/太慢，这些都是不可靠的表现。那么TCP是如何知道自己发送的报文丢了呢？这就要引入TCP的确认应答机制了，如果在一个时间段内没有收到应答报文，那么TCP就会认为自己的报文丢失了，然后重新发送报文。

TCP的报文按照顺序发送，但因为网络原因，它们有可能是乱序到达的，如果要保证可靠性，TCP就要给每个报文一个序号，这个序号既可以让报文有序接收，又可以防止报文重复的情况发生。

• 确认序号X：x-1之前的报文收到了，下次请从x开始发送。这样可以更细粒度的找到丢包原因，允许少量应答报文丢失

TCP可靠性机制：

1. 确认应答（ACK）机制
2. 超时重传

TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信，会动态计算等待的时间，Linux中，超时是以500ms为单位进行控制的，每次判定重传的时间都为500ms的整数倍。如果重发一次后，仍然得不到应答，等待2500ms后再进行重传。如果仍然得不到应答，等待4500ms，以此类推。如果在经过一定次数等待后，仍然收不到应答，那么TCP认为网络/对端主机出现异常，强制关闭连接。

3. 连接管理机制

在双发主机通信时，双发TCP要经过三次握手建立连接，当通信结束时，双方TCP要经过四次挥手断开连接。

连接在操作系统就是一种数据结构，维护这个连接是要消耗系统资源的。
三次握手和四次挥手：

建立连接的过程是TCP自动完成的，即OS自动完成的，我们上层调用的connect()是发起连接，然后阻塞等待连接完成获取连接，accpet() 是默认阻塞等待连接完成，获取连接。

三次握手是判断双方通信信道流通的最小成本。当三次握手中，前两个报文丢失，那么客户端会触发超时重传，如果第三个报文丢失，那么客户端与服务器对于连接的状态认知不一样，服务器会向客户端发送连接重置报文（RST）。三次握手实际上是包含4个报文，但是为了双方尽快建立连接，所以TCP将中间两个报文使用捎带应答的机制合并在一起。

四次挥手由断开连接的一方发送FIN报文，然后另一方发送ACK报文同意断开连接，但是有可能此时被断开连接的一方还要发送一些数据，等发完数据之后再给对端发送FIN报文请求断开连接。所以没有将FIN和ACK组合在一起。

• 状态变化：
  • FIN_WAIT1：
  • FIN_WAIT2:
  • CLOSE_WAIT：一方收到FIN报文后会进入CLOSE_WAIT状态，这种状态如果不调用close关闭连接，那么会一直保持这种状态
  • LASK_ACK：被动断开连接的一方当发送FIN报文后处于的状态
  • TIME_WAIT：主动断开连接的一方等待2个MSL时间，确认等到报文被对方收到，防止下次建立连接时产生影响。在处于TIME_WAIT状态时，由于端口号被连接占用，所以导致再次启动程序时，就会报band error错误。但是对于服务器来说，这种情况是不允许发生的，我们可以设置服务器忽略TIME_WAIT状态，直接重启服务。
    • setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void* optval, socklen_t optlen)
      • sockfd：目标套接字
      • level：哪一层，通常填写SOL_SOCKET
      • optname：属性名，SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT
      • optval：填入整型变量的地址，这个变量存1
      • socklen_t：optval的实际长度

4. 流量控制

双方通信时，会将自己接收能力设置到窗口大小中，双方就可以根据对方接收的能力选择发送报文的速度。当自己的接收缓冲区满时，就会将窗口大小设置为0，这时发送方不在发送数据，而是定期发送探测窗口，询问对方接收能力。同时如果接收方的缓冲区有空间时，接收方也会向对方发送一个窗口更新通知

3. 拥塞控制

在发送数据时，如果出现少量丢包问题，则会触发超时重传机制。但是如果出现大量丢包，就可能是网络出现故障（网络拥塞），此时TCP就会触发慢启动机制，先减少发送量，探明网络拥塞情况，在不会加重网络拥塞的情况下，逐步增加发送量，以让网络尽快恢复正常。

4. 拥塞窗口：衡量网络健康状态的指标

网络的状态是一直变化的，所以拥塞窗口也是一直变化的。发送开始时候，拥塞窗口大小为1，每一次收到ACK，拥塞窗口按指数级别增长。每次发送数据时，滑动窗口大小取拥塞窗口和对端接收能力的较小值。当拥塞窗口的大小超过一个阈值（ssthresh）时，按照线性增长，当发生网络拥塞时，重新设置拥塞窗口大小，阈值变为上一次探测的拥塞窗口大小的一半。

5. 校验和&序列号

TCP效率问题：

1. 滑动窗口

双方主机在通信时，如果收报文和发报文的顺序是串行的，那么必然通信效率不高。此时TCP引入了滑动窗口，使得在一个窗口内的数据可以并行发送。

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那么滑动窗口是什么呢？我们知道TCP的发送缓冲区是以字节为单位的，可以看作一个大数组，滑动窗口就是这个数组里的一个子数组，数组下标即为序号。滑动窗口将发送缓冲区划分为三部分：已经收到应答的数据，可以直接发送没有收到应答，不能发送的数据区域。上层将数据放到尚未发送的区域，TCP从可以发送区域中取数据，这种模式就是生产消费模式。

滑动窗口的大小取决于网络拥塞情况和对方的接收能力(16位窗口大小)，它的大小是动态变化的。当收到了X序号的应答后，滑动窗口可以向右移动到X位置处。

2. 快重传（高速重发控制）

当发送端连续收到三个相同的确认序号时，就说明该报文已经丢失，立即触发快重传机制。快重传机制和超时重传机制会同时使用，当不满足快重传触发条件时，就会触发超时重传机制。快重传决定数据传输效率上限，而超时重传决定数据传输效率下限。

3. 延迟应答

当接收到一个报文后，接收方等一会儿，等上层用户把数据处理一部分，以告诉对方更大的窗口大小，那么对方的滑动窗口就有可能更大，发送的数据可能会更多，借此增加了通信效率。

• 不是所有包都延迟应答，一般每隔N个包就延迟应答一次或者超过最大延迟时间就应答一次。在不同系统中策略不同

4. 捎带应答

在延迟应答的基础上, 我们发现, 很多情况下, 客户端服务器在应用层也是 "一发一收" 的. 意味着客户端给服务器说了 "How are you", 服务器也会给客户端回一个 "Fine, thank you";那么这个时候ACK就可以搭顺风车, 和服务器回应的 "Fine, thank you" 一起回给客户端 。

2.4 基于TCP协议的应用层协议

• HTTP
• HTTPS
• SSH
• Telnet
• FTP
• SMTP