网络编程之快速理解TCP和UDP的差异

x33g5p2x  于2022-01-13 转载在 其他  
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建立连接方式的差异

TCP

说到 TCP 建立连接,相信大多数人脑海里肯定可以浮现出一个词,没错就是–“三次握手”。TCP 通过“三次握手”来建立连接,再通过“四次挥手”断开一个连接。在每次挥手中 TCP 做了哪些操作呢?

流程如下图所示(TCP的三次握手和四次挥手):

上图就从客户端和服务端的角度,清楚的展示了 TCP 的三次握手和四次挥手。可以看到,当 TCP 试图建立连接时,三次握手指的是客户端主动触发了两次,服务端触发了一次。

我们可以先明确一下 TCP 建立连接并且初始化的目标是什么呢?

  • 1)初始化资源;
  • 2)告诉对方我的序列号。

所以三次握手的次序是这样子的:

  • 1)client端首先发送一个SYN包告诉Server端我的初始序列号是X;
  • 2)Server端收到SYN包后回复给client一个ACK确认包,告诉client说我收到了;
  • 3)接着Server端也需要告诉client端自己的初始序列号,于是Server也发送一个SYN包告诉client我的初始序列号是Y;
  • 4)Client收到后,回复Server一个ACK确认包说我知道了。

其中的 2 、3 步骤可以简化为一步,也就是说将 ACK 确认包和 SYN 序列化包一同发送给 Client 端。到此我们就比较简单的解释了 TCP 建立连接的“三次握手”。

UDP

我们都知道 TCP 是面向连接的、可靠的、有序的传输层协议,而 UDP 是面向数据报的、不可靠的、无序的传输协议,所以 UDP 压根不会建立什么连接。

就好比发短信一样,UDP 只需要知道对方的 ip 地址,将数据报一份一份的发送过去就可以了,其他的作为发送方,都不需要关心。

数据发送方式的差异

关于 TCP、UDP 之间数据发送的差异,可以体现二者最大的不同之处:

TCP:

由于 TCP 是建立在两端连接之上的协议,所以理论上发送的数据流不存在大小的限制。但是由于缓冲区有大小限制,所以你如果用 TCP 发送一段很大的数据,可能会截断成好几段,接收方依次的接收。

UDP:

由于 UDP 本身发送的就是一份一份的数据报,所以自然而然的就有一个上限的大小。

那么每次 UDP 发送的数据报大小由哪些因素共同决定呢?

  • UDP协议本身,UDP协议中有16位的UDP报文长度,那么UDP报文长度不能超过2^16=65536;
  • 以太网(Ethernet)数据帧的长度,数据链路层的MTU(最大传输单元);
  • socket的UDP发送缓存区大小。

先来看第一个因素,UDP 本身协议的报文长度为 2^16 - 1,UDP 包头占 8 个字节,IP 协议本身封装后包头占 20 个字节,所以最终长度为: 2^16 - 1 - 20 - 8 = 65507 字节。

只看第一个因素有点理想化了,因为 UDP 属于不可靠协议,我们应该尽量避免在传输过程中,数据包被分割。所以这里有一个非常重要的概念 MTU -- 也就是最大传输单元。

在 Internet 下 MTU 的值为 576 字节,所以在 internet 下使用 UDP 协议,每个数据报最大的字节数为: 576 - 20 - 8 = 548

数据有序性的差异

我们再来谈谈数据的有序性。

TCP

对于 TCP 来说,本身 TCP 有着超时重传、错误重传、还有等等一系列复杂的算法保证了 TCP 的数据是有序的,假设你发送了数据 1、2、3,则只要发送端和接收端保持连接时,接收端收到的数据始终都是 1、2、3。

UDP

而 UDP 协议则要奔放的多,无论 server 端无论缓冲池的大小有多大,接收 client 端发来的消息总是一个一个的接收。并且由于 UDP 本身的不可靠性以及无序性,如果 client 发送了 1、2、3 这三个数据报过来,server 端接收到的可能是任意顺序、任意个数三个数据报的排列组合。

可靠性的差异

其实大家都知道 TCP 本身是可靠的协议,而 UDP 是不可靠的协议。

TCP

TCP 内部的很多算法机制让他保持连接的过程中是很可靠的。比如:TCP 的超时重传、错误重传、TCP 的流量控制、阻塞控制、慢热启动算法、拥塞避免算法、快速恢复算法 等等。所以 TCP 是一个内部原理复杂,但是使用起来比较简单的这么一个协议。

UDP

UDP 是一个面向非连接的协议,UDP 发送的每个数据报带有自己的 IP 地址和接收方的 IP 地址,它本身对这个数据报是否出错,是否到达不关心,只要发出去了就好了。

所以来研究下,什么情况会导致 UDP 丢包:

  • 数据报分片重组丢失:在文章之前我们就说过,UDP 的每个数据报大小多少最合适,事实上 UDP 协议本身规定的大小是 64kb,但是在数据链路层有 MTU 的限制,大小大概在 5kb,所以当你发送一个很大的 UDP 包的时候,这个包会在 IP 层进行分片,然后重组。这个过程就有可能导致分片的包丢失。UDP 本身有 CRC 检测机制,会抛弃掉丢失的 UDP 包;
  • UDP 缓冲区填满:当 UDP 的缓冲区已经被填满的时候,接收方还没有处理这部分的 UDP 数据报,这个时候再过来的数据报就没有地方可以存了,自然就都被丢弃了。

使用场景总结

在文章最后的一部分,聊聊 TCP、UDP 使用场景。

先来说 UDP 的吧,有很多人都会觉得 UDP 与 TCP 相比,在性能速度上是占优势的。因为 UDP 并不用保持一个持续的连接,也不需要对收发包进行确认。但事实上经过这么多年的发展 TCP 已经拥有足够多的算法和优化,在网络状态不错的情况下,TCP 的整体性能是优于 UDP 的。

那在什么时候我们非用 UDP 不可呢?

  • 对实时性要求高:比如实时会议,实时视频这种情况下,如果使用 TCP,当网络不好发生重传时,画面肯定会有延时,甚至越堆越多。如果使用UDP 的话,即使偶尔丢了几个包,但是也不会影响什么,这种情况下使用 UDP 比较好;
  • 多点通信:TCP需要保持一个长连接,那么在涉及多点通讯的时候,肯定需要和多个通信节点建立其双向连接,然后有时在NAT环境下,两个通信节点建立其直接的TCP 连接不是一个容易的事情,而 UDP 可以无需保持连接,直接发就可以了,所以成本会很低,而且穿透性好。这种情况下使用 UDP也是没错的。

以上我们说了 UDP 的使用场景,在此之外的其他情况,使用 TCP 准没错。

毕竟有一句话嘛:

when in doubt,use TCP。

TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解

前言

尽管TCP和UDP都使用相同的网络层(IP),TCP却向应用层提供与UDP完全不同的服务。TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。

面向连接意味着两个使用TCP的应用(通常是一个客户和一个服务器)在彼此交换数据之前必须先建立一个TCP连接。这一过程与打电话很相似,先拨号振铃,等待对方摘机说“喂”,然后才说明是谁。

下面将分别讲解经典的TCP协议建立连接(所谓的“3次握手”)和断开连接(所谓的“4次挥手”)的过程。

先来认识TCP报文格式

下面是TCP报文格式图:

上图中有几个字段需要重点介绍下:

1)序号:Seq序号,占32位,用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流,发起方发送数据时对此进行标记。
2)确认序号:Ack序号,占32位,只有ACK标志位为1时,确认序号字段才有效,Ack=Seq+1。
3)标志位:共6个,即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等,具体含义如下:

(A)URG:紧急指针(urgent pointer)有效。
   (B)ACK:确认序号有效。
   (C)PSH:接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
   (D)RST:重置连接。
   (E)SYN:发起一个新连接。
   (F)FIN:释放一个连接。

需要注意的是:

A)不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。
B)确认方Ack=发起方Req+1,两端配对。

3次握手过程详解

所谓三次握手(Three-Way Handshake)即建立TCP连接,就是指建立一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中,这一过程由客户端执行connect来触发,整个流程如下图所示:

  • (1)第一次握手:

Client将标志位SYN置为1,随机产生一个值seq=J,并将该数据包发送给Server,Client进入SYN_SENT状态,等待Server确认。

  • (2)第二次握手:

Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接,Server将标志位SYN和ACK都置为1,ack=J+1,随机产生一个值seq=K,并将该数据包发送给Client以确认连接请求,Server进入SYN_RCVD状态。

  • (3)第三次握手:

Client收到确认后,检查ack是否为J+1,ACK是否为1,如果正确则将标志位ACK置为1,ack=K+1,并将该数据包发送给Server,Server检查ack是否为K+1,ACK是否为1,如果正确则连接建立成功,Client和Server进入ESTABLISHED状态,完成三次握手,随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

SYN攻击:

在三次握手过程中,Server发送SYN-ACK之后,收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接(half-open connect),此时Server处于SYN_RCVD状态,当收到ACK后,Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址,并向Server不断地发送SYN包,Server回复确认包,并等待Client的确认,由于源地址是不存在的,因此,Server需要不断重发直至超时,这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列,导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃,从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击,检测SYN攻击的方式非常简单,即当Server上有大量半连接状态且源IP地址是随机的,则可以断定遭到SYN攻击了,使用如下命令可以让之现行:
#netstat -nap | grep SYN_RECV

4次挥手过程详解

三次握手耳熟能详,四次挥手估计就少有人知道了。所谓四次挥手(Four-Way Wavehand)即终止TCP连接,就是指断开一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中,这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发,整个流程如下图所示:

由于TCP连接时全双工的,因此,每个方向都必须要单独进行关闭,这一原则是当一方完成数据发送任务后,发送一个FIN来终止这一方向的连接,收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了,即不会再收到数据了,但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据,直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方则执行被动关闭,上图描述的即是如此。

  • 第一次挥手:

Client发送一个FIN,用来关闭Client到Server的数据传送,Client进入FIN_WAIT_1状态。

  • 第二次挥手:

Server收到FIN后,发送一个ACK给Client,确认序号为收到序号+1(与SYN相同,一个FIN占用一个序号),Server进入CLOSE_WAIT状态。

  • 第三次挥手:

Server发送一个FIN,用来关闭Server到Client的数据传送,Server进入LAST_ACK状态。

  • 第四次挥手:

Client收到FIN后,Client进入TIME_WAIT状态,接着发送一个ACK给Server,确认序号为收到序号+1,Server进入CLOSED状态,完成四次挥手。

上面是一方主动关闭,另一方被动关闭的情况,实际中还会出现同时发起主动关闭的情况,具体流程如下图:

流程和状态在上图中已经很明了了,在此不再赘述,可以参考前面的四次挥手解析步骤。

小结

关于三次握手与四次挥手通常都会有典型的面试题,在此提出供有需求的XDJM们参考:

1)三次握手是什么或者流程?四次握手呢?答案前面分析就是。
2)为什么建立连接是三次握手,而关闭连接却是四次挥手呢?

这是因为服务端在LISTEN状态下,收到建立连接请求的SYN报文后,把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时,当收到对方的FIN报文时,仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据,己方也未必全部数据都发送给对方了,所以己方可以立即close,也可以发送一些数据给对方后,再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接,因此,己方ACK和FIN一般都会分开发送。

UDP中一个包的大小最大能多大

点评

因为UDP数据传输的无连接特性,最简单的UDP数据传输就是一次数据交互一个UDP包搞定,这样就不用管分包问题(因为不像TCP,UDP传输时如果分包则是不能保证顺序的,这会带来很多问题)。所以你一次交互的数据如果太多的话,用UDP实现就很可能并不优雅。

前言

在进行UDP编程的时候,我们最容易想到的问题就是,一次发送多少bytes好?

当然,这个没有唯一答案,相对于不同的系统,不同的要求,其得到的答案是不一样的,我这里仅对像ICQ一类的发送聊天消息的情况作分析,对于其他情况,你或许也能得到一点帮助。

网络原理

首先,我们知道,TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统:包括链路层、网络层、运输层、应用层 。UDP属于运输层,下面我们由下至上一步一步来看。

结论1:局域网环境下,建议将UDP数据控制在1472字节以下

以太网(Ethernet)数据帧的长度必须在46-1500字节之间,这是由以太网的物理特性决定的,这个1500字节被称为链路层的MTU(最大传输单元)。但这并不是指链路层的长度被限制在1500字节,其实这这个MTU指的是链路层的数据区,并不包括链路层的首部和尾部的18个字节。

所以,事实上这个1500字节就是网络层IP数据报的长度限制。因为IP数据报的首部为20字节,所以IP数据报的数据区长度最大为1480字节。而这个1480字节就是用来放TCP传来的TCP报文段或UDP传来的UDP数据报的。

又因为UDP数据报的首部8字节,所以UDP数据报的数据区最大长度为1472字节。这个1472字节就是我们可以使用的字节数。
当我们发送的UDP数据大于1472的时候会怎样呢?
这也就是说IP数据报大于1500字节,大于MTU,这个时候发送方IP层就需要分片(fragmentation)。把数据报分成若干片,使每一片都小于MTU,而接收方IP层则需要进行数据报的重组。这样就会多做许多事情,而更严重的是,由于UDP的特性,当某一片数据传送中丢失时,接收方无法重组数据报,将导致丢弃整个UDP数据报。

因此,在普通的局域网环境下,我建议将UDP的数据控制在1472字节以下为好。

结论2:Internet编程时,建议将UDP数据控制在548字节以下

进行Internet编程时则不同,因为Internet上的路由器可能会将MTU设为不同的值。如果我们假定MTU为1500来发送数据,而途经的某个网络的MTU值小于1500字节,那么系统将会使用一系列的机制来调整MTU值,使数据报能够顺利到达目的地,这样就会做许多不必要的操作。

鉴于Internet上的标准MTU值为576字节,所以我建议在进行Internet的UDP编程时, 最好将UDP的数据长度控件在548字节(576-8-20)以内。
ps:这句话貌似有问题,unix网络编程第一卷里说:ipv4协议规定ip层的最小重组缓冲区大小为576!所以,建议udp包不要超过这个大小,而不是因为internet的标准MTU是576!

参考文献

Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程

理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解

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