TCP&UDP

格式

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 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       Source Address                          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Destination Address                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options                    |    Padding    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

                 Example Internet Datagram Header
                 
 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          Source Port          |       Destination Port        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Sequence Number                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Acknowledgment Number                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
| Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
|       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Checksum            |         Urgent Pointer        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options                    |    Padding    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                             data                              |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
				TCP Header Format

socket 编程

TCP 建立链接

source destination protocol length info
127.0.0.1 127.0.0.1 TCP 108 53226→1234 [SYN] Seq=0 Win=8192 Len=0 MSS=65495 WS=256 SACK_PERM=1
127.0.0.1 127.0.0.1 TCP 108 1234→53226 [SYN, ACK] Seq=0 Ack=1 Win=8192 Len=0 MSS=65495 WS=256 SACK_PERM=1
127.0.0.1 127.0.0.1 TCP 84 53226→1234 [ACK] Seq=1 Ack=1 Win=8192 Len=0

建立TCP接连，其实就是进行上面的三次握手，也就是序号同步。

关闭 TCP 链接

source destination protocol length info
127.0.0.1 127.0.0.1 TCP 84 50514→1234 [FIN, ACK] Seq=3428547810 Ack=490876652 Win=8192 Len=0
127.0.0.1 127.0.0.1 TCP 84 1234→50514 [ACK] Seq=490876652 Ack=3428547811 Win=7936 Len=0
127.0.0.1 127.0.0.1 TCP 84 1234→50514 [FIN, ACK] Seq=490876652 Ack=3428547811 Win=7936 Len=0
127.0.0.1 127.0.0.1 TCP 84 50514→1234 [ACK] Seq=3428547811 Ack=490876653 Win=8192 Len=0

TCP 链接

NO. src port dest port Control Bits Seq Ack Len Data
0 50514 1234 [SYN] x 0 0 N/A
1 1234 50514 [SYN, ACK] y x+1 0 N/A
2 50514 1234 [ACK] x+1 y+1 0 N/A
3 50514 1234 [PSH, ACK] x+1 y+1 6 abc123
4 1234 50514 [ACK] y+1 x+1+6 0 N/A
5 50514 1234 [PSH, ACK] x+1+6 y+1 4 ef45
6 1234 50514 [ACK] y+1 x+1+6+4 0 N/A
7 50514 1234 [FIN, ACK] x+1+6+4 y+1 0 N/A
8 1234 50514 [ACK] y+1 x+1+6+4+1 0 N/A
9 1234 50514 [FIN, ACK] y+1 x+1+6+4+1 0 N/A
10 50514 1234 [ACK] x+1+6+4+1 y+1+1 0 N/A

  • 建立链接

    [0-2]的过程，就是建立一个链接的过程。

  • 传输数据

    [3-4] 和 [5-6] 是两个传输数据的过程

  • 断开链接

    [7-10]的过程，就是断开链接的过程

在传输数据的过程中，如果出现PSH标志，则表示应该立即将数据从TCP的缓存传输到数据接收方的用户空间中，这使得 recv 函数可以返回。

当传输的数据大于 tcp 分包的大小，则数据将会分成几个不同的包来传输，直到最后一个数据包传输时会，设置 PSH 标志位。此时 Client 的 TCP 就可以将前面缓存的数据组成一个数据包，给用户空间使用。

总结

TCP基于连接的意思是：对于实现TCP通信功能来说，操作系统（内核）会维护那些已经通过三次握手所建立起来的连接。维护连接，说白了就是维护状态，以及分配工作缓存等，状态信息，例如：TCP连接通信时的 SEQ 序号，TCP通信的两端应该都会维护，同时为这个连接，提供一个缓存区，用来存储接受到的数据等。

所以只要不关闭一个TCP连接，则两端可以随时发起通信，就好似，有一个连接的数据通道一样，所以称为连接。

网络通信中数据的正确性和完整性

正确性

对数据包添加 CRC Checksum 来保证数据的正确性。

完整性

TCP 如何确保数据的完整性，丢包时如何处理。

TCP 连接中可能会出现的异常

  • 连接被重置

    当客户端进行被直接kill掉时，客户端所在的操作系统会给服务器端发生一个含有 [RST] 标志位的 tcp 包，用来通知服务器端，客户端的 tcp 连接被异常关闭了。

  • TCP传输延时

    40毫秒延迟与 TCP_NODELAY

  • rfc1122 & rfc1123

    rfc1122 和 rfc1123 这两个rfc对已经存在的tcp等规范进行了进一步的说明和讨论。其中就是关于 PSH 和 ACK 标志的作用及使用的讨论。

socket 的生命周期

TCP/IP Socket in java中的第 6.4 节 TCP Socket Life Cycle 讲述了关闭socket的生命周期。

网络编程的另一套接口

其实对于 socket 来说，它和 TCP/IP 网络并没有直接的关系，socket 只是一层用户空间的抽象，用来进行进程间通信。而进程间通信的接口，其实并不只是Socket这一种抽象，还有一个 X/Open Transport Interface 这个接口，也是对通过网络进行进程间的通信做了抽象。使用这个 XTI/TLI 接口，也可以进行网络编程。

如何使用 XTI/TLI 进行编程，参考：Programming With XTI and TLI

X/Open Transport Interface (XTI)

Berkeley sockets 这个页面中有如下的描述：

The STREAMS-based Transport Layer Interface (TLI) API offers an alternative to the socket API. However, recent systems that provide the TLI API also provide the Berkeley socket API.

UDP

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11
12
0      7 8     15 16    23 24    31
          +--------+--------+--------+--------+
          |     Source      |   Destination   |
          |      Port       |      Port       |
          +--------+--------+--------+--------+
          |                 |                 |
          |     Length      |    Checksum     |
          +--------+--------+--------+--------+
          |
          |          data octets ...
          +---------------- ...
               User Datagram Header Format

  • Source Port

    数据包源端口，是可选字段，如果这个字段未被使用，则插入0代替。如果这个字段被使用，通常，其意义是发送Socket的端口。

  • Destination Port

    通信的目标端口。

  • Length

    表示 UDP 头部和发送的数据（data）的总长度（以字节为单位）

  • Checksum

    the IP header, the UDP header, and the data 三个数据的检验和。

UDP的关闭

UDP 本身就是无连接的，所以通信双方，如果有一方断开Socket，另一方并不会得到通知。所以通信双方的 Socket 关闭应该由，实现通信的应用来协商关闭，而不是由Socket来实现关闭。例如关闭 DatagramSocket 的一方，可以在关闭之前显示发送一个 DatagramPacket，这个　Package　中包含一个双方约定好的控制标志位。通信双方只要检测到这个标志位，就可以安全的释放　Socket　资源了。

同样地，由于 UDP 是无连接的，也就是无状态的通信，所以对于通信双方，即使断开，另一方的 receive 或 send 方法的调用也不会出现异常。

UDP的数据传输

UDP直接发送数据包，没有建立连接的过程（三次握手），也没有接收到数据的一方也没有确认数据的过程（发送ACK包），因为没有建立连接的过程，自然也没有断开的过程（四次挥手）。

DatagramSocket 的 send 方法直接封装数据到一个IP数据包。

如果发送端首先向接受端发送数据，而接收端没有还没有监听那个端口，则 TCP/IP 协议栈会将接收到的数据进行缓存，接收端启动监听，调用 receive 方法就可以接收到之前发送过来的数据。缓存的时间应该是由TCP/IP协议栈的实现决定的。

UDP的应用场景

数据链路层

参考