Transport layer

tcp 握手挥手

“三次握手，四次挥手”你真的懂吗？

tcp 的三次握手

1. 第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（syn=x）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。
2. 第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
3. 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。

tcp 的四次挥手

1. 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2. 服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3. 客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
4. 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
5. 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6. 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

为什么需要四次挥手？

1. 四次挥手过程
   1. 客户端向服务器发送FIN控制报文段（首部中的 FIN 比特被置位）；
   2. 服务端收到FIN，回复ACK。服务器进入关闭等待状态，发送FIN;
   3. 客户端收到FIN，给服务器回复ACK，客户端进入等待状态（进入“等待”，以确保服务器收到ACK真正关闭连接）;
   4. 服务端收到ACK，链接关闭。

2. 四次挥手原因

   TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议。TCP是全双工模式，这就意味着，当客户端发出FIN报文段时，只是表示客户端已经没有数据要发送了，客户端告诉服务器，它的数据已经全部发送完毕了；但是，这个时候客户端还是可以接受来自服务端的数据；当服务端返回ACK报文段时，表示它已经知道客户端没有数据发送了，但是服务端还是可以发送数据到客户端的；当服务端也发送了FIN报文段时，这个时候就表示服务端也没有数据要发送了，就会告诉客户端，我也没有数据要发送了，之后彼此就会愉快的中断这次TCP连接。

   简单地说，前 2 次挥手用于关闭一个方向的数据通道，后两次挥手用于关闭另外一个方向的数据通道。

TCP和UDP的区别

1. 连接：TCP面向连接的传输层协议，即传输数据之前必须先建立好连接；UDP无连接。
2. 服务对象：TCP点对点的两点间服务，即一条TCP连接只能有两个端点；UDP支持一对一，一对多，多对一，多对多的交互通信。
3. 可靠性：TCP可靠交付：无差错，不丢失，不重复，按序到达；UDP尽最大努力交付，不保证可靠交付。
4. 拥塞控制/流量控制：有拥塞控制和流量控制保证数据传输的安全性；UDP没有拥塞控制，网络拥塞不会影响源主机的发送效率。
5. 报文长度：TCP动态报文长度，即TCP报文长度是根据接收方的窗口大小和当前网络拥塞情况决定的；UDP面向报文，不合并，不拆分，保留上面传下来报文的边界。
6. 首部开销：TCP首部开销大，首部20个字节；UDP首部开销小，8字节（源端口，目的端口，数据长度，校验和）。
7. 适用场景（由特性决定）：数据完整性需让位于通信实时性，则应该选用TCP 协议（如文件传输、重要状态的更新等）；反之，则使用 UDP 协议（如视频传输、实时通信等）。

说一说TCP是怎么控制流量的？

1. 所谓流量控制就是让发送发送速率不要过快，让接收方来得及接收。

2. TCP控制流量的方法

   利用滑动窗口机制就可以实施流量控制。

   原理就是运用TCP报文段中的窗口大小字段来控制，发送方的发送窗口不可以大于接收方发回的窗口大小。考虑一种特殊的情况，就是接收方若没有缓存足够使用，就会发送零窗口大小的报文，此时发送放将发送窗口设置为0，停止发送数据。之后接收方有足够的缓存，发送了非零窗口大小的报文，但是这个报文在中途丢失的，那么发送方的发送窗口就一直为零导致死锁。

   解决这个问题，TCP为每一个连接设置一个持续计时器（persistence timer）。只要TCP的一方收到对方的零窗口通知，就启动该计时器，周期性的发送一个零窗口探测报文段。对方就在确认这个报文的时候给出现在的窗口大小（注意：TCP规定，即使设置为零窗口，也必须接收以下几种报文段：零窗口探测报文段、确认报文段和携带紧急数据的报文段）。

3. TCP的滑动窗口

   为了提高信道的利用率TCP协议不使用停止等待协议，而是使用连续ARQ协议，意思就是可以连续发出若干个分组然后等待确认，而不是发送一个分组就停止并等待该分组的确认。

   TCP的两端都有发送/接收缓存和发送/接收窗口。TCP的缓存是一个循环队列，其中发送窗口可以用3个指针表示。而发送窗口的大小受TCP数据报中窗口大小的影响，TCP数据报中的窗口大小是接收端通知发送端其还可以接收多少数据，所以发送窗口根据接收的的窗口大小的值动态变化。

TCP如何保证可靠性？

TCP协议保证数据传输可靠性的方式主要有：校验和、序列号、确认应答、超时重传、连接管理、流量控制、拥塞控制。

1 校验和

计算方式：在数据传输的过程中，将发送的数据段都当做一个16位的整数。将这些整数加起来。并且前面的进位不能丢弃，补在后面，最后取反，得到校验和。 发送方：在发送数据之前计算检验和，并进行校验和的填充。 接收方：收到数据后，对数据以同样的方式进行计算，求出校验和，与发送方的进行比对。

2 序列号和确认应答

序列号：TCP传输时将每个字节的数据都进行了编号，这就是序列号。 确认应答：TCP传输的过程中，每次接收方收到数据后，都会对传输方进行确认应答。也就是发送ACK报文。这个ACK报文当中带有对应的确认序列号，告诉发送方，接收到了哪些数据，下一次的数据从哪里发。

序列号的作用不仅仅是应答的作用，有了序列号能够将接收到的数据根据序列号排序，并且去掉重复序列号的数据。这也是TCP传输可靠性的保证之一。

3 超时重传

在进行TCP传输时，由于确认应答与序列号机制，也就是说发送方发送一部分数据后，都会等待接收方发送的ACK报文，并解析ACK报文，判断数据是否传输成功。如果发送方发送完数据后，迟迟没有等到接收方的ACK报文，这该怎么办呢？而没有收到ACK报文的原因可能是什么呢？

首先，发送方没有接收到响应的ACK报文原因可能有两点：

1. 数据在传输过程中由于网络原因等直接全体丢包，接收方根本没有接收到。
2. 接收方接收到了响应的数据，但是发送的ACK报文响应却由于网络原因丢包了。

TCP在解决这个问题的时候引入了一个新的机制，叫做超时重传机制。简单理解就是发送方在发送完数据后等待一个时间，时间到达没有接收到ACK报文，那么对刚才发送的数据进行重新发送。如果是刚才第一个原因，接收方收到二次重发的数据后，便进行ACK应答。如果是第二个原因，接收方发现接收的数据已存在（判断存在的根据就是序列号，所以上面说序列号还有去除重复数据的作用），那么直接丢弃，仍旧发送ACK应答。

4 连接管理

连接管理就是三次握手与四次挥手的过程，保证可靠的连接，是保证可靠性的前提。

5 流量控制

收端在接收到数据后，对其进行处理。如果发送端的发送速度太快，导致接收端的结束缓冲区很快的填充满了。此时如果发送端仍旧发送数据，那么接下来发送的数据都会丢包，继而导致丢包的一系列连锁反应，超时重传呀什么的。而TCP根据接收端对数据的处理能力，决定发送端的发送速度，这个机制就是流量控制。

在TCP协议的报头信息当中，有一个16位字段的窗口大小。在介绍这个窗口大小时我们知道，窗口大小的内容实际上是接收端接收数据缓冲区的剩余大小。这个数字越大，证明接收端接收缓冲区的剩余空间越大，网络的吞吐量越大。接收端会在确认应答发送ACK报文时，将自己的即时窗口大小填入，并跟随ACK报文一起发送过去。而发送方根据ACK报文里的窗口大小的值的改变进而改变自己的发送速度。如果接收到窗口大小的值为0，那么发送方将停止发送数据。并定期的向接收端发送窗口探测数据段，让接收端把窗口大小告诉发送端。

6 拥塞控制

TCP传输的过程中，发送端开始发送数据的时候，如果刚开始就发送大量的数据，那么就可能造成一些问题。网络可能在开始的时候就很拥堵，如果给网络中在扔出大量数据，那么这个拥堵就会加剧。拥堵的加剧就会产生大量的丢包，就对大量的超时重传，严重影响传输。

所以TCP引入了慢启动的机制，在开始发送数据时，先发送少量的数据探路。探清当前的网络状态如何，再决定多大的速度进行传输。这时候就引入一个叫做拥塞窗口的概念。发送刚开始定义拥塞窗口为 1，每次收到ACK应答，拥塞窗口加 1。在发送数据之前，首先将拥塞窗口与接收端反馈的窗口大小比对，取较小的值作为实际发送的窗口。

拥塞窗口的增长是指数级别的。慢启动的机制只是说明在开始的时候发送的少，发送的慢，但是增长的速度是非常快的。为了控制拥塞窗口的增长，不能使拥塞窗口单纯的加倍，设置一个拥塞窗口的阈值，当拥塞窗口大小超过阈值时，不能再按照指数来增长，而是线性的增长。在慢启动开始的时候，慢启动的阈值等于窗口的最大值，一旦造成网络拥塞，发生超时重传时，慢启动的阈值会为原来的一半（这里的原来指的是发生网络拥塞时拥塞窗口的大小），同时拥塞窗口重置为 1。

什么是粘包问题，如何解决？

默认情况下，TCP 连接会采用延迟传送算法（Nagle 算法），在数据发送之前缓存他们。如果短时间有多个数据发送，会缓冲到一起作一次发送（缓冲大小是socket.bufferSize），这样可以减少 IO 消耗提高性能。（TCP 会出现这个问题，HTTP 协议解决了这个问题）

解决方法

1. 多次发送之前间隔一个等待时间：处理简单，但是影响传输效率；
2. 关闭 Nagle 算法：消耗资源高，整体性能下降；
3. 封包/拆包：使用一些有标识来进行封包拆包（类似 HTTP 协议头尾）；

如何利用UDP实现可靠传输

1. 实现方法：
2. 将实现放到应用层，然后类似于TCP，实现确认机制、重传机制和窗口确认机制；
3. 给数据包进行编号，按顺序接收并存储，接收端收到数据包后发送确认信息给发送端，发送端接收到确认信息后继续发送，若接收端接收的数据不是期望的顺序编号，则要求重发；（主要解决丢包和包无序的问题）
4. 已经实现的可靠UDP：
   1. RUDP 可靠数据报传输协议；
   2. RTP 实时传输协议 为数据提供了具有实时特征的端对端传送服务；例如：组播或单播网络服务下的交互式视频、音频或模拟数据。
   3. UDT 基于UDP的数据传输协议，是一种互联网传输协议； 主要目的是支持高速广域网上的海量数据传输，引入了新的拥塞控制和数据可靠性控制机制（互联网上的标准数据传输协议TCP在高带宽长距离的网络上性能很差）； UDT是面向连接的双向的应用层协议，同时支持可靠的数据流传输和部分可靠的数据报服务； 应用：高速数据传输，点到点技术(P2P)，防火墙穿透，多媒体数据传输；