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  • TCP/IP傳輸層

    時間:2024-09-23 15:30:45 TCP/IP 我要投稿
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    TCP/IP傳輸層

      TCP:傳輸控制協議,是TCP/IP參考模型的傳輸層協議。那么關于TCP/IP傳輸層,你懂多少?下面跟yjbys小編一起來學習吧!

      一、傳輸層的主要功能是什么?

      分割并重新組裝上層提供的數據流,為數據流提供端到端的傳輸服務

      二、傳輸層如何區分不同應用程序的數據流?

      因為,對應傳輸層而言,它只需要知道目標主機上的哪個服務程序來響應這個程序,而不需要知道這個服務程序是干什么的。因此,我們只需要能夠抽象的表示出來這些應用程序和服務程序即可。我們使用端口號來抽象標識每個網絡程序。

    傳輸層的TCP和UDP可以接收來自多個應用程序的數據流,用端口號標識他們,然后把他們送給Internet層處理;

    同時TCP和UDP接收來自Internet層的數據包,用端口號區分他們,然后交給不同的應用程序。

      因此:在同一IP地址(同一個目標主機)上不同的端口號是兩個不同的鏈接。IP地址和端口號用來唯一的確定網絡上數據的目的地。

      三、傳輸層有哪些協議?

      傳輸層的兩大協議:TCP(傳輸控制協議)UDP(用戶數據包協議)

      TCP是一個可靠的面向鏈接的協議,UDP是不可靠的或者說無連接的協議。

      可以用打電話和發短信來說明這種關系:

      UDP就好似發短信,只管發出去,至于對方是不是空號(網絡不可到達)能不能收到(丟包)等并不關心。

      TCP好像打電話,雙方要通話,首先,要確定對方不是開機(網絡可以到達),然后要確定是不是沒有信號(),然后還需要對方接聽(通信鏈接)。

      四、什么是UDP協議?

      UDP數據包結構如下圖所示

    源端口(16)

    目標端口(16)

    報文長度(16)

    校驗和(16)

    數據(可變)

      UDP為應用程序提供的是一種不可靠的、無連接的分組交付,因此,UDP報文可能會出現丟失、亂序、重復、延時等問題。

    因為它不提供可靠性,它的開銷很小。

      五、為什么有了UDP,還需要TCP?

      問題4中已經說到,UDP為應用程序提供的是一種無連接、不可靠的分組交付。當網絡硬件失效或者負擔太重時,數據包可能就會產生丟失、重復、延時、亂序的現象。這些都會導致我們的通信不正常。如果讓應用程序來擔負差錯控制的工作,無疑將給程序員帶來許多復雜的工作,于是,我們使用獨立的通信協議來保證通信的可靠性是非常必要的。

      六、什么是TCP協議?

      傳輸控制協議TCP是一個面向鏈接的、可靠的通信協議。

      1. 在開始傳輸前,需要進行三次握手建立鏈接

      2. 可靠性:在傳輸過程中,通信雙方的協議模塊繼續進行通信

      3. 通信結束后,通信雙方都會使用改進的三次握手來關閉鏈接

      TCP數據包結構如下圖

    源端口(16)

    目標端口(16)

    序號(32)

    應答號(32)

    頭長度(4)

    保留(6)

    編碼位(6)

    窗口(16)

    校驗和(16)

    緊急(16)

    可選項(如果有,032)

    數據(可變)

      七、怎么理解協議和程序?

      如同我們自定義的應用層協議一樣:協議只是給出了一組規范,規定我們應該怎么樣(按什么規則)保存數據。

      在計算機間傳輸的永遠都是二進制字節碼(對于傳輸層,可以理解為傳輸的始終是下層的IP數據包),是計算機中的程序通過對這些字節碼進行邏輯分析、判斷,來控制程序完成差錯控制等功能。

      至于解析這些字節碼的程序,則可以有不同的實現,只要我們按照規則來解析,并作出相應的控制,我們大可以自己寫個程序是實現相應功能。

    知道了這些后,顯然,我們也可以使用前面說的Jpcap,來自己實現一個基于Java的TCP或者UDP協議。可以參考Linux下的Tcp源碼。

    /net/ipv4/udp.c
    /net/ipv4/datagram.c
    /net/ipv4/tcp_input.c
    /net/ipv4//tcp_output.c
    /net/ipv4/tcp.c  

      八、TCP是否真的有鏈接?

      我們都知道,TCP通過完成三次握手來建立鏈接的,但是這種連接是面向虛電路的,是物理上不存在的,只是雙方的TCP程序,邏輯上的認為建立了這樣的鏈接。

      九、鏈接是如何建立的(邏輯上)?

      假設:當我們在主機A上啟動一個程序,通過TCP去鏈接主機B上的9091端口。

      整個過程是怎么樣的呢?邏輯上我們可以這么理解建立鏈接的過程:

      1.SYN:seq=X;

      1.1 A的TCP程序,為這個鏈接分配一個端口(設為9090)。

      1.2 同時邏輯上的將TCP連接的狀態設置為:正在連接。(通過在鏈接狀態表中添加一條記錄,記錄中狀態為:正在連接)

      猜想:

    TCP程序中, 應該有張表來保持鏈接的狀態,其中每個狀態應該有:

    本機地址(IP加port)、對方地址、鏈接狀態

      1.3 同時,隨機生成一個初始序列號X,生成一個TCP包,將初始化序列號X設置為TCP中的序列號,發送給主機B。

      2.SYN:seq=Y ACK:ack=X+1;

      2.1 B上TCP程序收到該數據包,查詢9091端口狀態,如果可以鏈接。

      2.2 同樣的,在邏輯上的將TCP連接的狀態設置為:正在連接

      2.3 同時,隨機生成一個初始化序列號Y,根據接收的序列號X,生成應答號X+1,生成一個TCP包,將序列號和應答號分別設置到TCP包頭中,將TCP數據包發給主機A。

      3.SYN:seq=X+1 ACK:ack=Y+1.

      3.1 A上的TCP程序接收到數據包,查詢9090端口狀態。

      3.2 根據收到的SYN:seq=Y;ACK:ack=X+1; 封裝一個TCP包 SYN:seq=x+1;ACK:ack=Y+1;發送給主機B。同時,TCP程序將鏈接狀態表中該條記錄狀態設置為已連接。

      3.3 主機B收到數據包,TCP程序將鏈接狀態表中該條記錄狀態設置為已連接。

      至此,一個TCP鏈接建立(三次握手)完成。

      我們可以看到:

      第一:傳送的都是IP數據包,其實只是將收到的數據包交給TCP程序處理。

      第二:鏈接狀態,只是TCP程序中的一個邏輯狀態。

      十:所謂的建立TCP鏈接開銷很大,具體是指什么?

      從九中,很容易看出。要簡歷TCP鏈接,必須進行三次IP數據包的成功傳輸。

      十一:三次握手的目的是什么?

      TCP是面向鏈接的,在面向鏈接的環境中,開始傳輸數據之前,在兩個中端之間必須先建立一個鏈接。建立鏈接的過程可以確保通信雙方在發送應用程序數據包之前,都已經準備好了傳送和接收數據。并且使通信雙方統一了初始化序列號。

      十二:TCP如何提供可靠性?

      在傳輸過程中,通信雙方的協議模塊繼續進行通信,從而確保了傳輸的可靠性。

      針對亂序:在通過三次握手進行鏈接時,序列號被初始化。在傳輸過程中,TCP繼續使用這個序列號來標記發送的每一個數據段,沒傳送一個數據段,序列號加一。接收方依據序列號重裝收到的數據段。

      針對丟包:在傳輸過程中,接收方收到一個數據段后,會用ACK應答碼向發送端回復一個IP包進行應答,確認號ACK用來告訴發送端哪些數據包已經成功接收,發送方對未被應答的報文段提供重傳。

      針對重復:接收端收到數據段后,查看序列號,如果已經成功接收改數據包,則丟棄后面這個數據段。

      針對延時:延時造成的第一個問題,就是數據包達到接收端時亂序。

      當延時嚴重時,接收端一直未收到數據段,則不會回復ACK,發送端認為丟包,重發。

      十三:什么是預期確認?什么是肯定確認與重新傳輸?哪些情況會重傳?

      1.確認號ACK會告訴發送端哪些數據段已經成功接收,并且確認號會向發送端指出接收端希望收到的下一個序列號。即,確實號ACK為上個數據序列號+1,這種機制稱為預期確認。

      2.為了提高效率,我們在發送端,將數據段保存在緩沖區中,直道發送端收到來自接收端的確認號。這種機制被稱為“肯定確認與重新傳輸”。

      3.當發送端在給定時間間隔內收不到那個數據段的應答時,發送端就會重傳那個數據段。

      情況1:網絡延時/環路,數據段丟失

      情況2:網絡延時,數據段推遲到達

      情況3:數據段成功到達,應答因為1.2不能達到。

      十四: TCP中,序列號和應答號有哪些作用?

      從以上10,11,12中,很明顯的可以看到

      依靠序列號重組數據段

      依靠數據包消除網絡中的重復包

      依靠序列號和應答號進行差錯重傳,提高了TCP的可靠性

      十六:為什么需要窗口技術?

      前面我們已經說了,TCP的可靠性,是通過預期確認來實現的。即發送方發送一個數據段后,需要得到對方的確認后,才會發送下一個數據段。

      因此,假設一個數據段大小為64KB(IP包最大值),一次發送和確認需要的時間為500MS,則,1S內,只能傳送128KB的數據,如果帶寬為1M,顯然很浪費帶寬。為了充分利用帶寬,我們使用窗口技術。滑動窗口允許發送方在收到接收方的確認之前發送多個數據段。(窗口大小決定了在收到確認前可以發送的數據段數量)

      十七:如何實現流量控制?

      窗口數決定了當前傳輸的最大流量。當我們在傳輸過程中,通信雙方可以根據網絡條件動態協商窗口大小,調整窗口大小時,即可實現流量控制。(在TCP的每個確認中,除了ACK外,還包括一個窗口通知)

      十八:UDP的開銷很小,具體是指什么?

      1.因為UDP是無連接的。在傳輸數據之前,不需要進行復雜的三次握手來建立連接。

      2.在傳輸數據時,沒有協議間通信流量(確認信號),也不需要浪費不必要的處理時間(接收確認信號再發一下)。

      3;傳輸結束后,也不用再用改進的三次握手來端口連接。

      十九:UDP數據包、TCP數據包大小如何確認?

      無論TCP還是UDP數據包,都需要交給Internet層封裝為IP包,而一個IP包,包頭中的長度位為16位,所以IP包最大為2的16方,即65535(64KB還需要減去各種包頭長度)。

      TCP因為面向流,且可以憑借序列號對大文件進行分段和重組,因此,TCP可以用來傳輸較大的文件。而UDP,如果要傳輸大于64KB的數據,則需要自己在應用層進行差錯控制。

      為了提高傳輸效率和減少網絡通信量(協議間的通信),TCP也會一次傳輸足夠多的數據。

      因為MTU的存在,TCP包和UDP包不是越大越好。(在路由中分包,在接收端重組,加大路由與接收端負擔,增大丟包概率。分組丟失,整個數據包重傳。)

      二十:UDP適用哪些環境?TCP適用哪些環境?

      適合UDP的環境:

      1.在高效可靠的網絡環境中(不需要考慮網絡不好導致的丟包、亂序、延時、重復等問題),因為UDP是無連接的服務,不用消耗不必要的網絡資源(TCP中的協議間通信)和處理時間(預期確認需要的時間),從而效率要高的多。

      2.在輕權通信中,當需要傳輸的數據量很小(可以裝在一個IP數據包內)時。如果我們使用TCP協議,那么,先建立連接,一共需要發送3個IP數據包,然后數據傳輸,1個IP數據包,產生一個確認信號的IP包,然后關閉連接,需要傳輸5個IP數據包。使用TCP協議IP包的利用率為1/10。而使用UDP,只需要發送一個IP數據包。哪怕丟包(服務不成功),也可重新申請服務(重傳)。

    注:而且無論UDP還是TCP,傳輸的都是IP數據包。當網絡環境不好導致丟包時,無論TCP還是UDP都會丟包,這是沒有區別的。(如果考慮發送丟包,那么TCP效率更低),只是使用TCP,當連接建立成功后,TCP程序會進行可靠性控制。

      UDP很適合這種客戶機向服務器傳送簡單服務請求的環境。此類應用層協議包括TFTP , SNMP , DNS ,DHCP等。

      3.在對實時性要求很強的通信中:在諸如實時視頻直播等對實時性要求很高的環境中,從而允許一定量的丟包的情況下(直播比賽,前面丟失的包,重傳出來已經意義不大了),UDP更適合。(可以根據具體需要通過應用層協議提供可靠性,不用像TCP那么嚴格。)

      適合TCP協議的環境:

      當網絡硬件失效或者負擔太重時,數據包可能就會產生丟失、重復、延時、亂序的現象。這些都會導致我們的通信不正常的時候。如果讓應用程序來擔負差錯控制的工作,無疑將給程序員帶來許多復雜的工作,于是,我們使用獨立的通信協議來保證通信的可靠性是非常必要的。

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