TCP與UDP的區(qū)別（上）
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大家好，我是Leo。
之前聊了 體系結(jié)構(gòu)，消息流程，TCP粘包 。今天接著粘包繼續(xù)看看TCP與UDP的區(qū)別有哪些。
TCP與UDP區(qū)別
TCP面向連接(如打電話要先撥號(hào)建立連接)。UDP是無(wú)連接的，即發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接 三次握手，四次揮手 TCP提供可靠的服務(wù)。也就是說(shuō)，通過(guò)TCP連接傳送的數(shù)據(jù)，無(wú)差錯(cuò)，不丟失，不重復(fù)，且按序到達(dá);UDP盡最大努力交付，也不保證可靠交付; 序列號(hào)與確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制 TCP面向字節(jié)流，實(shí)際上是TCP把數(shù)據(jù)看成一連串無(wú)結(jié)構(gòu)的字節(jié)流;UDP是面向報(bào)文的; UDP沒(méi)有擁塞控制，因此網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞不會(huì)使源主機(jī)的發(fā)送速率降低(對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用很有用，如IP電話，實(shí)時(shí)視頻會(huì)議等); 擁塞機(jī)制 每一條TCP連接只能是點(diǎn)到點(diǎn)的;UDP支持一對(duì)一，一對(duì)多，多對(duì)一和多對(duì)多的交互通信; TCP首部開(kāi)銷20字節(jié);UDP的首部開(kāi)銷小，只有8個(gè)字節(jié); 報(bào)文結(jié)構(gòu) TCP的邏輯通信信道是全雙工的可靠信道，UDP則是不可靠信道。
三次握手與四次分手
三次握手
第一次握手：客戶端將標(biāo)志位SYN置為1，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)值seq=J，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)端，客戶端進(jìn)入SYN_SENT狀態(tài)，等待服務(wù)端確認(rèn)。
第二次握手：服務(wù)端收到數(shù)據(jù)包后由標(biāo)志位SYN=1知道客戶端請(qǐng)求建立連接，服務(wù)端將標(biāo)志位SYN和ACK都置為1，ack=J+1，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)值seq=K，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給客戶端以確認(rèn)連接請(qǐng)求，服務(wù)端進(jìn)入SYN_RCVD狀態(tài)。
第三次握手：客戶端收到確認(rèn)后，檢查ack是否為J+1，ACK是否為1，如果正確則將標(biāo)志位ACK置為1，ack=K+1，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)端，服務(wù)端檢查ack是否為K+1，ACK是否為1，如果正確則連接建立成功，客戶端和服務(wù)端進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手，隨后客戶端與服務(wù)端之間可以開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)了。
SYN_SENT：代表TCP連接的發(fā)起方第一次發(fā)給接受方的時(shí)候設(shè)置成的狀態(tài)。
SYN_RECV：服務(wù)端被動(dòng)打開(kāi)后,接收到了客戶端的SYN并且發(fā)送了ACK時(shí)的狀態(tài)。再進(jìn)一步接收到客戶端的ACK就進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)。
ESTABLISHED：代表已經(jīng)建立了連接
四次分手
在斷開(kāi)連接之前客戶端和服務(wù)器都處于ESTABLISHED狀態(tài)，雙方都可以主動(dòng)斷開(kāi)連接，以客戶端主動(dòng)斷開(kāi)連接為優(yōu)。
第一次揮手：客戶端打算斷開(kāi)連接，向服務(wù)器發(fā)送FIN報(bào)文(FIN標(biāo)記位被設(shè)置為1，1表示為FIN，0表示不是)，F(xiàn)IN報(bào)文中會(huì)指定一個(gè)序列號(hào)，之后客戶端進(jìn)入FIN_WAIT_1狀態(tài)。
也就是客戶端發(fā)出連接釋放報(bào)文段(FIN報(bào)文)，指定序列號(hào)seq = u，主動(dòng)關(guān)閉TCP連接，等待服務(wù)器的確認(rèn)。
第二次揮手：服務(wù)器收到連接釋放報(bào)文段(FIN報(bào)文)后，就向客戶端發(fā)送ACK應(yīng)答報(bào)文，以客戶端的FIN報(bào)文的序列號(hào) seq+1 作為ACK應(yīng)答報(bào)文段的確認(rèn)序列號(hào)ack = seq+1 = u + 1。
接著服務(wù)器進(jìn)入CLOSE_WAIT(等待關(guān)閉)狀態(tài)，此時(shí)的TCP處于半關(guān)閉狀態(tài)(下面會(huì)說(shuō)什么是半關(guān)閉狀態(tài))，客戶端到服務(wù)器的連接釋放。客戶端收到來(lái)自服務(wù)器的ACK應(yīng)答報(bào)文段后，進(jìn)入FIN_WAIT_2狀態(tài)。
第三次握手：服務(wù)器也打算斷開(kāi)連接，向客戶端發(fā)送連接釋放(FIN)報(bào)文段，之后服務(wù)器進(jìn)入LASK_ACK(最后確認(rèn))狀態(tài)，等待客戶端的確認(rèn)。
服務(wù)器的連接釋放(FIN)報(bào)文段的FIN=1，ACK=1，序列號(hào)seq=m，確認(rèn)序列號(hào)ack=u+1。
第四次握手：客戶端收到來(lái)自服務(wù)器的連接釋放(FIN)報(bào)文段后，會(huì)向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)ACK應(yīng)答報(bào)文段，以連接釋放(FIN)報(bào)文段的確認(rèn)序號(hào) ack 作為ACK應(yīng)答報(bào)文段的序列號(hào) seq，以連接釋放(FIN)報(bào)文段的序列號(hào) seq+1作為確認(rèn)序號(hào)ack。
之后客戶端進(jìn)入TIME_WAIT(時(shí)間等待)狀態(tài)，服務(wù)器收到ACK應(yīng)答報(bào)文段后，服務(wù)器就進(jìn)入CLOSE(關(guān)閉)狀態(tài)，到此服務(wù)器的連接已經(jīng)完成關(guān)閉。
客戶端處于TIME_WAIT狀態(tài)時(shí)，此時(shí)的TCP還未釋放掉，需要等待2MSL后，客戶端才進(jìn)入CLOSE狀態(tài)。
MSL: 報(bào)文最大生成時(shí)間，它是任何報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)上存在的最長(zhǎng)時(shí)間，超過(guò)這個(gè)時(shí)間的報(bào)文將被丟棄。2MSL=60秒
TIME_WAIT：通過(guò)這個(gè)狀態(tài)我從網(wǎng)上查了一些，只有主動(dòng)關(guān)閉連接的，才會(huì)有TIME_WAIT狀態(tài)。所以畫圖的時(shí)候畫在了左面
為什么分手需要四次
這是由于TCP的 半關(guān)閉(half-close) 造成的。半關(guān)閉是指：TCP提供了連接的一方在結(jié)束它的發(fā)送后還能接受來(lái)自另一端數(shù)據(jù)的能力。通俗來(lái)說(shuō)，就是不能發(fā)送數(shù)據(jù)，但是還可以接受數(shù)據(jù)。
TCP不允許連接處于半打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，就單向傳輸數(shù)據(jù)，因此完成三次握手后才可以傳輸數(shù)據(jù)(第三握手可以攜帶數(shù)據(jù))。
當(dāng)連接處于半關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，TCP是允許單向傳輸數(shù)據(jù)的，也就是說(shuō)服務(wù)器此時(shí)仍然可以向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，等服務(wù)器不再發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，才會(huì)發(fā)送FIN報(bào)文段，同意現(xiàn)在關(guān)閉連接。
這一特性是由于 TCP雙向通道互相獨(dú)立所導(dǎo)致 的，也使得關(guān)閉連接必須經(jīng)過(guò)四次握手。
等待2MSL的意義
這一塊就是介紹一下客戶端為什么要等待2MSL之后才進(jìn)入CLOSE狀態(tài)。
保證客戶端最后發(fā)送的ACK能夠到達(dá)服務(wù)器，幫助其正常關(guān)閉。 防止已失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段出現(xiàn)在本連接中
2MSL的時(shí)間是從 客戶端接收到 FIN 后發(fā)送 ACK 開(kāi)始計(jì)時(shí)的。如果在 TIME-WAIT 時(shí)間內(nèi)，因?yàn)榭蛻舳说?ACK 沒(méi) 有傳輸?shù)椒?wù)端，客戶端?接收到了服務(wù)端重發(fā)的 FIN 報(bào)?，那么 2MSL 時(shí)間將重新計(jì)時(shí)。
三次握手的報(bào)文流程
第一個(gè)SYN報(bào)文：在三次握手時(shí)，客戶端會(huì)隨機(jī)生成序號(hào)，將序號(hào)放入TCP的首部的 序列號(hào)區(qū)域。同時(shí)把SYN標(biāo)志位置于1，接著把第?個(gè) SYN 報(bào)?發(fā)送給服務(wù)端，表示向服務(wù)端發(fā)起連接，之后客戶端處于 SYN-SENT 狀態(tài) 第二個(gè)SYN+ACK報(bào)文：服務(wù)端收到報(bào)文后隨機(jī)生成序號(hào)，將序號(hào)繼續(xù)放入 序列號(hào)區(qū)域，并把客戶端的序列號(hào)+1放入 確認(rèn)號(hào)區(qū)域。SYN和ACK都置為1。最后把該報(bào)?發(fā)給客戶端，之后服務(wù)端處于 SYN-RCVD狀態(tài)。 第三次ACK報(bào)文：客戶端收到服務(wù)端的報(bào)文后，還要向服務(wù)端回應(yīng)最后?個(gè)應(yīng)答報(bào)?，?先該應(yīng)答報(bào)? TCP ?部 ACK 標(biāo)志位置為1 ，其次服務(wù)端的序號(hào)+1放入確認(rèn)號(hào)區(qū)域，最后把報(bào)?發(fā)送給服務(wù)端。
第三次握手的ACK報(bào)文可以攜帶客戶到服務(wù)器的數(shù)據(jù)，之后客戶端處于 ESTABLISHED 狀態(tài)。服務(wù)器收到客戶端的應(yīng)答報(bào)?后，也進(jìn)? ESTABLISHED 狀態(tài)。
序列號(hào)與確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制
TCP通過(guò)序列號(hào)與確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)發(fā)送端將數(shù)據(jù)發(fā)出之后會(huì)等待接收端的確認(rèn)應(yīng)答。如果有確認(rèn)應(yīng)答，說(shuō)明數(shù)據(jù)已經(jīng)成功到達(dá)。如果沒(méi)有確認(rèn)應(yīng)答，很有可能就丟包了。
數(shù)據(jù)包丟失
在一定時(shí)間內(nèi)，還沒(méi)有收到確認(rèn)應(yīng)答包，就會(huì)進(jìn)行重發(fā)。所以即使丟包，仍然能夠保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。
特定時(shí)間的間隔就是 主機(jī)A向主機(jī)B兩次數(shù)據(jù)請(qǐng)求的間隔。
確認(rèn)包丟失
確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制是雙向的，所以主機(jī)A請(qǐng)求主機(jī)B可能出問(wèn)題，主機(jī)B回傳主機(jī)A也有可能出現(xiàn)丟包的情況，下面我們就用圖解釋一下。
超時(shí)如何確定
超時(shí)主要由RTO 確認(rèn)的，RTO代表往返時(shí)間，由下圖解釋。
當(dāng)超時(shí)時(shí)間較大時(shí)，下一次重發(fā)就會(huì)變慢，效率低，性能差。 當(dāng)超時(shí)時(shí)間較小時(shí)，下一次重發(fā)就會(huì)過(guò)快，以至于并沒(méi)有丟包就重發(fā)了，這樣就導(dǎo)致了更多的超時(shí)，更多的超時(shí)又導(dǎo)致了更多的重發(fā)。
解決方案：可以通過(guò)TCP建立連接時(shí)間的延時(shí)時(shí)間與參考。通過(guò)RTT+DelayACK+抖動(dòng)時(shí)間的算法來(lái)計(jì)算，而不再需要取一個(gè)估計(jì)的最小值
半連接隊(duì)列和全連接隊(duì)列
介紹
半連接隊(duì)列是SYN隊(duì)列，代表服務(wù)端接收到客戶端的請(qǐng)求后。
全連接隊(duì)列是SYN+ACK（accept）隊(duì)列，代表建立連接后。.
在客戶端發(fā)起第一次連接時(shí)，服務(wù)端會(huì)將其加入到syn隊(duì)列中，并且響應(yīng)客戶端syn+ack報(bào)文，等到客戶端發(fā)送ack應(yīng)答報(bào)文時(shí)，服務(wù)端將該連接從半連接隊(duì)列中取出，并新建一個(gè)新的連接，加入到accept隊(duì)列當(dāng)中。等待進(jìn)程調(diào)用accept請(qǐng)求時(shí)，將該連接取出來(lái)
不管是半連接隊(duì)列還是全連接隊(duì)列，都有最大長(zhǎng)度限制，超過(guò)限制時(shí)，內(nèi)核會(huì)直接丟棄，或返回 RST 包。
SYN攻擊
這里也就是我們經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)的SYN攻擊，如果一直對(duì)服務(wù)端發(fā)送syn包，但是不回ack回應(yīng)包，這樣就會(huì)使得服務(wù)端有大量請(qǐng)求處于syn_recv狀態(tài)，這就是所謂的syn洪泛，syn攻擊，DDos攻擊
解決方案
增大半連接隊(duì)列 開(kāi)啟tcp_syncookies功能 減少ack+syn報(bào)文的重傳次數(shù)
2.開(kāi)啟tcp_syncookies：可以在不使用syn半連接隊(duì)列的情況下建立連接syncookies在接收到客戶端的syn報(bào)文時(shí)，計(jì)算出一個(gè)值，放到syn+ack報(bào)文中發(fā)出。當(dāng)客戶端返回ack報(bào)文時(shí)，取出該值驗(yàn)證，成功則建立連接
3.因?yàn)槲覀冊(cè)谑盏絪yn攻擊時(shí)，服務(wù)端會(huì)重傳syn+ack報(bào)文到最大次數(shù)，才會(huì)斷開(kāi)連接。針對(duì)syn攻擊的場(chǎng)景，我們可以減少ack+syn報(bào)文的重傳次數(shù)，使處于syn_recv狀態(tài)的它們更快斷開(kāi)連接 修改重傳次數(shù):/proc/sys/net/ipv4/tcp_synack_retries
全連接隊(duì)列溢出
當(dāng)服務(wù)端的全連接隊(duì)列過(guò)小時(shí)，容易發(fā)生全連接隊(duì)列溢出。發(fā)生全連接隊(duì)列溢出，后續(xù)的請(qǐng)求就會(huì)別丟棄。
Linux有個(gè)參數(shù)可以指定TCP全連接隊(duì)列滿了，會(huì)使用什么策略來(lái)回應(yīng)客戶端。
丟棄連接只是linux的默認(rèn)行為，我們還可以向客戶端發(fā)送RST報(bào)文終止連接，告訴客戶端連接失敗
解決方案
tcp_abort_on_overflow共有兩個(gè)值分別是0和1
0：如果全連接隊(duì)列滿了，那么服務(wù)端丟棄ack報(bào)文 1：如果全連接隊(duì)列滿了，那么服務(wù)端會(huì)想客戶端發(fā)送RST報(bào)文，終止這個(gè)握手連接
通常情況下設(shè)置為0更好，可以提高效率
如果設(shè)置為0的話，此時(shí)服務(wù)端全連接隊(duì)列滿了，客戶端發(fā)送過(guò)來(lái)的ack報(bào)文，服務(wù)端丟棄。而此時(shí)客戶端還會(huì)繼續(xù)重傳，如果此時(shí)服務(wù)端的全連接隊(duì)列有空閑，那么就會(huì)接受重傳的ack包，這樣就能直接建立連接了。 而設(shè)置為1的話，還需要重新連接
當(dāng)全連接隊(duì)列溢出后，我們需要增大全連接隊(duì)列的長(zhǎng)度，以提高請(qǐng)求容量。
TCP 全連接隊(duì)列的最大值取決于 somaxconn 和 backlog 之間的最小值，也就是 min(somaxconn, backlog)，所以我們需要提高這兩個(gè)參數(shù)的大小才能拿增大全連接隊(duì)列
報(bào)文結(jié)構(gòu)
TCP報(bào)文結(jié)構(gòu)
URG：緊急指針（urgent pointer）有效。
ACK：確認(rèn)序號(hào)有效。
PSH：接收方應(yīng)該盡快將這個(gè)報(bào)文交給應(yīng)用層。
RST：重置連接。
SYN：發(fā)起一個(gè)新連接。
FIN：釋放一個(gè)連接。
16位窗口大小: 接收緩沖區(qū)剩余的空間大小
16位校驗(yàn)和: 發(fā)送端填充, CRC校驗(yàn). 接收端校驗(yàn)不通過(guò), 則認(rèn)為數(shù)據(jù)有問(wèn)題. 此處的檢驗(yàn)和不光包含TCP 首部, 也包含TCP數(shù)據(jù)部分.
16位緊急指針: 標(biāo)識(shí)哪部分?jǐn)?shù)據(jù)是緊急數(shù)據(jù);
UDP報(bào)文結(jié)構(gòu)
16位UDP長(zhǎng)度，表示整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)（UDP首部+UDP數(shù)據(jù)）的最大長(zhǎng)度；
如果校驗(yàn)出錯(cuò)，就會(huì)直接丟棄。
UDP數(shù)據(jù)報(bào)最大長(zhǎng)度64K（包含UDP首部），如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過(guò)64K就需要在應(yīng)用層手動(dòng)分包，UDP無(wú)法保證包序，需要在應(yīng)用層進(jìn)行編號(hào)。
結(jié)尾
這一篇從TCP與UDP的區(qū)別，逐一展開(kāi)每一塊技術(shù)。
三次握手 四次分手 握手報(bào)文流程 客戶端等待2MSL的意義 通過(guò)序列號(hào)與確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制實(shí)現(xiàn)可靠傳輸 半連接隊(duì)列與全連接隊(duì)列
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