淺析TCP協議與UDP協議

TCP（Transmission Control Protocol），全稱傳輸控制協議。工做在TCP/IP協議棧中的傳輸層，爲主機層對主機層的鏈接提供了可靠的連接服務。此協議經過三個步驟使客戶機與服務器創建一個鏈接，並經過四個步驟關閉此鏈接，這個過程咱們分別稱之爲三次握手和四次揮手。

UDP（（User Datagram Protocol），全稱用戶數據報協議。一樣工做在傳輸層，是一種非面向鏈接的協議，由於其無恢復數據功能，因此是一種不可靠的網絡訪問。但由於發送數據時無需向TCP同樣反覆創建鏈接，因此內存佔用率小，傳輸性能高。

一：何爲TCP/IP協議棧？

1.名詞解釋

TCP（Transmission Control Protocol 傳輸控制協議）/IP（Internet Protocol  因特網互聯協議）棧，是以TCP和IP協議爲重要表明的多個協議的集合，該集合中還包括UDP、ICMP、RIP、TELNET、 FTP、SMTP、ARP等許多協議。

2.歷史：

最先發源於美國國防部（縮寫爲DoD）的 因特網的前身ARPA網項目，1983年1月1 日，TCP/IP取代了舊的網絡控制協議NCP，成爲今天的互聯網和局域網的基石和標準,由互聯網工程任務組負責維護。

3.TCP/IP協議棧結構：

咱們知道，早期的OSI參考模型將網絡分爲七層，而TCP/IP模型將網絡分爲了五層，以下圖：

             圖一 ： TCP/IP與OSI參考模型對比圖（點擊查看高清大圖）

二：深刻理解TCP協議的三次握手和四次揮手

首先讓咱們瞭解TCP首部組成結構，以下圖：

                           圖二 ：  TCP首部結構 （點擊查看高清大圖）

（1）源端口和目標端口：

通常狀況下，源端口爲客戶端，目標端口爲服務器端。由圖二可知源端口和目標端口各佔16位，也就是2^16-1=65535，因此客戶端理論上來講能夠打開65535個程序來訪問服務器端。其中客戶機端口號隨機生成，而服務器端口固定不變。能夠經過 cat /etc/service 配合grep查看常見服務所用端口號。

（2）序號（seq）：

表示本報文段所發送數據的第一個字節的編號。在TCP鏈接中所傳送的字節流的每個字節都會按順序編號。因爲序列號由32位 表示，因此每2^32個字節，就會出現序列號迴繞，再次從 0 開始

（3）確認號（ack  acknowledgement character）：

表示接收方指望收到發送方下一個報文段的第一個字節數據的編號。

                              總的來講，seq和ack都是數據包的序號。

（4）重要標記位：

從圖二咱們能夠看出，標記位共有六個，每個只佔一位，因此標記位取值只有0 、1種狀況。

URG: 是否包含緊急數據（urgent）

PSH: 傳送（push）

RST：釋放鏈接並重置（reset）

ACK：表示前面的確認號字段（ack）是否有效。鏈接創建後，ACK=1。

SYN：在創建鏈接時使用，用來同步序號。當SYN=1，ACK=0時，表示這是一個請求創建鏈接的報文段；當SYN=1，ACK=1時，表示對方贊成創建鏈接。SYN=1 ，說明這是一個請求創建鏈接或贊成創建鏈接的報文。只有在前兩次握手中SYN才置爲1，帶SYN標誌的TCP報文段稱爲同步報文段

FIN：表示通知對方本端要關閉鏈接了，標記數據是否發送完畢。若是FIN=1，即 告訴對方：「個人數據已經發送完畢，你能夠釋放鏈接了」，帶FIN標誌的TCP報 文段稱爲結束報文段

好，瞭解完TCP首部結構中經常使用知識點後，讓咱們以客戶端的三次握手和四次揮手爲例，來具體瞭解創建鏈接和斷開鏈接的具體過程。

創建鏈接（三次握手）

                                                                    圖三：三次握手（點擊查看高清大圖）          

第一步：處於close狀態的客戶端A主動打開，並對服務器B說：「我向你發送了序號爲x的包（seq=x），請求創建鏈接（SYN=1），over」，並轉爲同步已發送狀態（SYN-SENT），等待B確認。

第二步：服務器B每隔一段時間就會轉爲偵聽（LISTEN）狀態，這時B收到來自A的請求，因而他向客戶端A說：「我贊成創建鏈接（SYN=1），而且確認已經收到了你的包（ACK=1），並向你發送了y包（seq=y），請求你繼續給我發你下一個包（ack=x+1）「，並轉爲同步收到（SYN-RCVD）狀態。

第三步：到此，AB都第一次收到了對方的包，第一次同步所有完成。

A收到B包後對B說：「我知確認你的請求了（ACK=1），並繼續向你發送序號爲X+1的包（seq=x+1），請求你繼續向我發送你下一個包吧（ack=y+1）。」並轉爲已創建鏈接（ESTABLISHED）狀態。B在收到A的包後，也轉爲已創建鏈接（ESTABLISHED）狀態。

  至此，AB都進入了ESTABLISHED（已創建鏈接）狀態。三次握手已所有完成，AB雙方將進入數據傳送狀態。

斷開鏈接（四次揮手）

                           圖四：四次揮手（點擊查看高清大圖）

第一步： 客戶機A對服務器B說：」我要和你斷開鏈接（FIN=1）「。與此同時，向B發送了一個序號爲u的包，並將狀態由創建鏈接狀態（ESTABLISHED）轉換爲終止等待1（FIN-WAIT-1）狀態。

第二步： B收到A的包時，得知A要與本身單方面分手，因而先通知應用程序關閉，接着對A說：」我已經收到你的分手請求了（ACK=1），但並不表明我贊成分手，請你向我發送你的下一個包（ack=u+1）「，並向A發送序號爲v的包。並被迫將狀態轉爲關閉等待狀態（CLOSE-WAIT）。

第三步： 因爲B可能還有一些屬於A殘留數據沒有發送給A，因此，B還會發數據給A，這中間A將處於終止等待2狀態（FIN-WAIT-2），直到B發完。當財產分割完成之後，B對A說：」好啦，我已經接收到了你的分手請求包（ACK=1），屬於你的數據我也都還給你了，我贊成和你分手（FIN=1），你能夠給我發你下一個包啦（ack=u+1）「，並向A發送第w個包。而且轉爲最後確認狀態（ LAST-ACK）。

第四步：A收到B的w包，並對B說：」我已經收到了你的分手確認（ACK=1），請你給我個回覆（ack=w+1），「，並向B發送序號爲u+1的包。

從圖四中咱們能夠看出，當服務器B收到u+1這個包時，就當即轉換爲closed狀態了；而A卻沒有當即轉爲closed狀態，而是轉爲了時間等待狀態（TIME-WAIT），這個等待時間爲2倍的MSL（最長數據傳輸時間）。因此客戶端A留出了足夠時間來接受來自B的殘留數據。

當服務器將屬於A的殘留數據所有歸還後，客戶端A最終轉換爲closed關閉狀態，四次揮手結束，鏈接關閉成功。