《趣谈网络协议》笔记——UDP，TCP

TCP和UDP的区别

1. TCP是面向连接的，UDP是面向无连接的。

什么叫面向连接？
在互通之前，面向连接的协议会先建立连接。 建立连接就是客户端和服务器之间维护交互状态的数据结构。

2. TCP提供可靠交付；而UDP继承了IP包的特性，不保证可靠

通过TCP连接的数据，无差错，不丢失，不重复，并且按序到达。
UDP不保证不丢失，不保证按序到达。

3. TCP是面向字节流的，UDP是基于数据报的

TCP是有缓冲区，UDP面向报文段是没有缓冲区的。
TCP发送报文时，是将应用层数据写入TCP缓冲区中，然后由TCP协议来控制发送这里面的数据，而发送的状态是按字节流的方式发送的，跟应用层写下来的报文长度没有任何关系，所以说是流。
UDP，它没有缓冲区，应用层写的报文数据会直接加包头交给网络层，由网络层负责分片，所以是面向报文段的。

UDP包头

端口号：根据端口号，将数据交给相应的应用程序。

UDP的三大特点：

1. 沟通简单。没有大量的数据结构，包头字段，处理逻辑等。
2. 轻信他人。不会建立连接，可以接收任何数据，也可以发送任何数据。
3. 愣头青，不懂权变。没有拥塞控制，不管网络好不好只管发。

UDP的三大使用场景

1. 需要的资源少，在网络情况比较好的内网，或者对于丢包不敏感的应用。

比如DHCP就是基于UDP协议的，一般获取ip地址都是内网请求，并且一次获取不到也没关系。

2. 不需要一对一的建立连接，而是应用在广播的应用中。

UDP的不面向连接的功能，可以使得可以承载广播或者多播的协议。DHCP就是广播的形式。

3. 需要处理的速度快，时延低，可以容忍少量的丢包，但要求即便网络拥塞也继续传输的情况。

UDP简单、处理速度快，不像TCP那样，操这么多的心，各种重传，保证顺序，前面的不收到，后面的没法处理，这样会导致时延很大。
并且在网络不好丢包的时候，拥塞控制会进一步降低发送速率，这样导致在本来卡的时候更卡了。

一些应用可以有自己的连接策略来保证可靠性（应用层保证），而通过UDP来保证时延要求。
比如：

1. 网页或者APP的访问.

目前的HTTP协议，往往采取多个数据通道共享一个连接的情况，这样本来为了加快传输速度，但是TCP的严格顺序策略使得哪怕共享通道，前一个不来，后一个和前一个即便没关系，也要等着，时延也会加大。

QUIC（全称Quick UDP Internet Connections，快速UDP互联网连接）。是一种基于UDP改进的通信协议，其目的是降低网络通信的延迟，提供更好的用户互动体验。
QUIC在应用层上，会自己实现快速连接建立、减少重传时延，自适应拥塞控制。

2. 流媒体协议。

很多直播软件都基于UDP实现了自己的视频传输协议。

3. 实时游戏

游戏对实时要求较为严格的情况下，采用自定义的可靠UDP协议，自定义重传策略，能够把丢包产生的延迟降到最低，尽量减少网络问题对游戏性造成的影响。

4. IoT物联网

一方面，物联网领域终端资源少，很可能只是个内存非常小的嵌入式系统，而维护TCP协议代价太大；另一方面，物联网对实时性要求也很高，而TCP还是因为上面的那些原因导致时延大。

TCP包头格式

端口号：和UDP一样，对应数据发给哪个应用。
序号：解决乱序问题。
确认序号：解决不丢包的问题，如果没收到，需要重发直到送达。
一些状态位：SYN是发起一个连接，ACK是回复，RST是重新连接，FIN是结束连接。
窗口大小：TCP要做流量控制，通信双方标明自己能够处理的能力，不要发太快也不要发太慢。除了流量控制外，还做拥塞控制，不能强人所难，控制自己的发送速度，改变不了世界，就改变自己。

因此掌握TCP协议需要掌握这几点（分别对应以上字段）：
1. 顺序问题，稳重不乱
2. 丢包问题，承诺靠谱
3. 连接维护，有始有终
4. 流量控制，把握分寸
5. 拥塞控制，知进知退

TCP三次握手
首先建立一个连接，也即连接维护问题

因为TCP协议是全双工的，对于单链接时要保证可靠需要一问一答：

也即客户端发送SYN（sqe = x）想要建立连接，需要等待服务器的ACK（ack = x+1）回复，才能算是单方向的链接成功。

同样，服务器端到客户端建立可靠的通信链接也需要一问一答：

服务器发送SYN（sqe = y）状态位想要建立连接，需要等待客户端的ACK（ack = y+1）回复，这条单向通信链路连接成功。

而其中的服务器端回复确认ACK的时候可以一起将建立连接的SYN一起发送给客户端，最终就成了三次握手。

这里有个疑问是，如果客户端最后一次握手的ACK丢了咋办？或者服务器发送完SYN和ACK后挂了咋办？
因为在客户端与服务器建立三次握手后，客户端就会立即发送数据了，一旦客户端开始发送数据了，很多问题就迎刃而解了，此时服务器收到客户端的数据，即便没有收到前面客户端的ACK，服务器可以认为这个连接已经建立；
如果服务器挂掉了，客户端发送数据，会报错说服务器不可达，客户端就知道了服务器出问题了。（报错说服务器不可达，这是在IP层中的ICMP协议可以反馈的）。

然后又有疑问：说建立完成三次握手就紧接着发送数据，要是客户端建立连接后就是不发送数据呢？
在设计程序的时候可以要求开启keepalive机制，即使没有发送数据包，也会发送探活包。当然，对于服务器端可以设计长时间客户端不发送数据，可以主动关闭。

TCP三次握手除了双方建立连接外，还有沟通双方TCP包的序号问题。

TCP四次挥手

四次挥手可以类比于上面说的三次握手，当客户端A想要结束连接（FIN，sqe = p）的时候，必须服务器B回复（ACK， ack = p+1）后才能单端关闭。
但是此时第二步和第三步不能合并，因为此时服务器B还依然在传送数据，还不想立即关闭连接的。
当服务器B也想要结束连接（FIN， sqe = q，ACK，ack = p+1）时候，等待客户端A回复（ACK， ack = q+1），但是客户端A回复ACK后还要等待2MSL。

为什么要等待2MSL？

1. 如果客户端A发送完ACK后直接跑路了，可能服务器B并没有收到这个ACK，当服务器B长时间未收到ACK回复后，会重新发送，对应客户端也要重新发送回复。
2. MSL是Maximum Segment Lifetime，报文最大生存时间，它是任何报文在网络上存在的最长时间。

如何实现一个靠谱的协议？

为了保证顺序性，TCP协议在每个包都有一个ID号，这个ID号是在三次握手建立连接的时候商定好的。为了保证不丢包，需要每个包都进行应答，但也不是接收端收到哪个就立即应答哪个，而是应答之前的某个ID，表示前面都收到了。这称为累计确认或累计应答。

为了记录这些包ID，发送端和接收端分别都要有缓存来记录。

下图是发送端缓存状态的数据结构，分为四个部分：1. 发送的并且已经收到ACK确认的。2. 发送出去了但是还未收到ACK确认的部分。 3. 还没有发送，即将发送的部分。 4. 还没有发送但是超过自己能力范围的部分。

第三部分和第四部分不合在一起的原因是：前面说到的流量控制，要把握分寸，接收端做不过来就不能发送了。

窗口大小为：黑色加粗部分的，也即第三部分加上第四部分。

以下为接收端缓存的数据结构：分为三个部分，1. 接收到了并且已经回复ACK了，但是还没有提交给应用层的部分。2. 等待接收还没回复ACK的部分。3. 不能接收的部分，超过最大处理能力的部分。

窗口大小为：NextByteExpected至MaxRcvBuffer指向的区间。
也就是：AdvertisedWindow=MaxRcvBuffer - ((NextByteExpected-1)-LastByteRead)

通过上面介绍的基本的发送端和接收端的数据结构，接下来说明一下顺序问题个丢包问题的具体实现。

从发送端看：1，2，3是已发送并确认的。4，5，6，7，8，9都是发送了还没确认。
从接收端看：1，2，3，4，5是已经完成ACK但是应用层还没读取的，6，7是等待接收，8，9是已经接收但是没有ACK的部分。

（从这里看出来6，7没有ACK之前，8，9是不发送ACK的，对应前面的累计确认。因为一旦发送了ACK，窗口会向后滑动的，因此需要保证前面的都要ACK才可以）

例如：发送端和接收端当前的状态如下：

• 1，2，3没有问题，双方达成了一致。
• 4，5接收方说ACK了，但发送方还未收到，有可能丢了，有可能在路上。
• 6，7，8，9发送方肯定都发了，但接收方是8，9已经到了，但是6，7没到，出现了乱序，缓存着但是没办法ACK。

如果发送端4的ACK接收到了，但是5的ACK丢了怎么办？
如果接收端6，7的数据包丢了怎么办？
答：超时重发。超过一定时间就重新尝试发送，这个时间的设定是根据往返时间RTT得到的，并且是根据网络情况不断变化的。由于重传时间是不断变化的，因此称为自适应自动重传算法。

因此一段时间后发送端未收到5，6，7的ACK就会重发5，6，7的数据包。接收端发现5已经之前有了就会丢弃5，并将6，7的ACK返回。

快速重传的机制，当接收方收到一个序号大于下一个所期望的报文段时，就检测到了数据流中的一个间格，于是发送三个冗余的ACK，客户端收到后，就在定时器过期之前，重传丢失的报文段。

例如，接收方发现6、8.9都已经接收了，就是7没来，那肯定是丢了，于是发送三个6的ACK，要求下一个是7，客户端收到3个，就会发现7的确又丢了，不等超时，马上重发。

流量控制问题
我们再来看流量控制机制，在对于包的确认中，同时会携带一个窗口的大小。
在窗口不变的情况下，大小固定为9，发送端收到4的确认后，窗口会右移一下，此时13包可发送。

此时，若发送端发送太猛，一下把10，11，12，13发送出去，之后就停止发送了，未发送部分变为0.

如果接收方实在处理的太慢，导致缓存中没有空间了，可以通过确认信息ACK修改窗口的大小，甚至可以设置为0，则发送方将暂时停止发送。

我们假设一个极端情况，接收端的应用一直不读取缓存中的数据，当数据包6确认后，窗口大小就不能再是9了，就要缩小一个变为8。

我们通过上面接收端缓存的数据结构发现，最大接收缓存量MaxRcvBuffer是固定的，如果应用层一直不读取数据，通过窗口的计算表达式，窗口会越来越小。

对应发送端的窗口大小通过接收到6的ACK携带的窗口大小信息，发送端的窗口不会整体右移，而是窗口的最左端右移一下，窗口大小从9变成8。

如果接收端应用层还是一直不处理数据，随着发送端收到确认包越来越多，窗口将越来越小，直至到0。

这就是常说的流量控制。

拥塞控制问题
拥塞控制的问题，也是通过窗口的大小来控制的。前面的滑动窗口rwnd是怕发送方把接收方缓存塞满，而拥塞窗口cwnd，是怕把网络塞满。

LastByteSent - LastByteAcked <= min(cwnd，rwnd)，拥塞窗口和滑动窗口共同控制发送的速度。

假设从发送端到接收端要经过4个网络设备（路由器网元什么的），每个设备处理一个包需要耗时1秒，所以到达另一端需要耗时4秒，如果发送的更加快速，则单位时间内，会有更多的包到达这些中间设备，这些设备还是只能每秒处理一个包的话，多出来的包就会被丢弃。
解决上面这个问题可以在每个中间设备上加缓存，这样处理不完的时候先放在缓存里。但是这样缓存里放的多了就会超时重传，也是个问题。

于是TCP的拥塞控制主要来避免两种现象，包丢失和超时重传。一旦出现了这些现象就说明，发送速度太快了，要慢一点。但是一开始我怎么知道速度多快呢，我怎么知道应该把窗口调整到多大呢？

慢启动

如果我们通过漏斗往瓶子里灌水，我们就知道，不能一桶水一下子倒进去，肯定会溅出来，要一开始慢慢的倒，然后发现总能够倒进去，就可以越倒越快。这叫作慢启动。

一条TCP连接开始，cwnd设置为一个报文段，一次只能发送一个；当收到这一个确认的时候，cwnd加一，于是一次能够发送两个；当这两个的确认到来的时候，每个确认cwnd加一，两个确认cwnd加二，于是一次能够发送四个。可以看出这是指数性的增长。

当超过ssthresh = 65535这个值的时候，可能快满了，速度降下来，后面每收到一个确认后，cwnd增加1/cwnd（多个确认到来的时候才增加1），线性增长了。

但不断增加就会有水满则溢出现拥塞的时候，一旦丢包超时重传，cwnd会一下变回1，将高速的传输速度一下子降下来，一夜回到解放前，这种方式不太可取。
采用前面说的快速重传算法，发现中间缺了某个包，前一个包就连续发三次ACK，不会等待超时再重传，会立即重传，并且此时cwnd减半为cwnd/2，然后sshthresh =cwnd，并没有一夜回到解放前。

其实上面还会产生两个问题就是：

1. 有时候公网上带宽没满的时候也会有丢包的情况，这时候发送端误以为拥塞了。
2. TCP的拥塞控制要等到将中间设备都填充满了，才发生丢包，从而降低速度，这时候已经晚了。

为了优化以上两个问题采用TCP BBR拥塞算法。就是找到个平衡点，只把管道加满，不把路径上中间设备的缓存填满。可以很好的达到高带宽低时延的平衡。

拥塞控制是通过拥塞窗口来解决的，相当于往管道里面倒水，快了容易溢出，慢了浪费带宽，要摸着石头过河，找到最优值。