网络（4）-传输层：端口，UDP协议理解，TCP协议理解，三次握手，四次挥手-程序员秋天

一、端口

"端口"是英文port的意译，可以认为是设备与外界通讯交流的出口。端口可分为虚拟端口和物理端口，其中虚拟端口指计算机内部或交换机路由器内的端口，不可见。例如计算机中的80端口、21端口、23端口等。物理端口又称为接口，是可见端口，计算机背板的RJ45网口，交换机路由器集线器等RJ45端口。电话使用RJ11插口也属于物理端口的范畴。

1.分类

1）硬件端口

CPU通过接口寄存器或特定电路与外设进行数据传送，这些寄存器或特定电路称之为端口。

其中硬件领域的端口又称接口，如：并行端口、串行端口等。

2）网络端口

在网络技术中，端口（Port）有好几种意思。集线器、交换机、路由器的端口指的是连接其他网络设备的接口，如RJ-45端口、Serial端口等。我们这里所指的端口不是指物理意义上的端口，而是特指TCP/IP协议中的端口，是逻辑意义上的端口。

3）软件端口

缓冲区。

2.端口详解

端口是指接口电路中的一些寄存器，这些寄存器分别用来存放数据信息、控制信息和状态信息，相应的端口分别称为数据端口、控制端口和状态端口。

电脑运行的系统程序，其实就像一个闭合的圆圈，但是电脑是为人服务的，他需要接受一些指令，并且要按照指令调整系统功能来工作，于是系统程序设计者，就把这个圆圈截成好多段，这些线段接口就叫端口（通俗讲是断口，就是中断），系统运行到这些端口时，一看端口是否打开或关闭，如果关闭，就是绳子接通了，系统往下运行，如果端口是打开的，系统就得到命令，有外部数据输入，接受外部数据并执行。

1）TCP端口

TCP：Transmission Control Protocol传输控制协议，TCP是一种面向连接（连接导向）的、可靠的、基于字节流的传输层（Transport layer）通信协议，由IETF的RFC 793说明（specified）。在简化的计算机网络 OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能，UDP是同一层内另一个重要的传输协议。

2）UDP端口

UDP:User Datagram Protocol用户数据报协议，UDP是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。UDP 协议基本上是IP协议与上层协议的接口。UDP协议适用端口分别运行在同一台设备上的多个应用程序。

二、UDP协议、TCP协议

1.UDP协议

1）定义

UDP是User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据报协议，是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC 768是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。

UDP协议与TCP协议一样用于处理数据包，在OSI模型中，两者都位于传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP协议从问世至今已经被使用了很多年，虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖，但即使在今天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。

许多应用只支持UDP，如：多媒体数据流，不产生任何额外的数据，即使知道有破坏的包也不进行重发。当强调传输性能而不是传输的完整性时，如：音频和多媒体应用，UDP是最好的选择。在数据传输时间很短，以至于此前的连接过程成为整个流量主体的情况下，UDP也是一个好的选择。

UDP报文没有可靠性保证、顺序保证和流量控制字段等，可靠性较差。但是正因为UDP协议的控制选项较少，在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高，适合对可靠性要求不高的应用程序，或者可以保障可靠性的应用程序，如DNS、TFTP、SNMP等。

2）报文格式

在TCP/IP协议层次模型中，UDP位于IP层之上。应用程序访问UDP层然后使用IP层传送数据报。IP数据报的数据部分即为UDP数据报。IP层的报头指明了源主机和目的主机地址，而UDP层的报头指明了主机上的源端口和目的端口。UDP传输的段（segment）有8个字节的报头和有效载荷字段构成。

UDP报头由4个域组成，其中每个域各占用2个字节，具体包括源端口号、目标端口号、数据报长度、校验值。

因为UDP报头使用两个字节存放端口号，所以端口号的有效范围是从0到65535。一般来说，大于49151的端口号都代表动态端口。UDP端口号指定有两种方式：由管理机构指定端口和动态绑定的方式。
从理论上说，包含报头在内的数据报的最大长度为65535字节。不过，一些实际应用往往会限制数据报的大小，有时会降低到8192字节。
UDP协议使用报头中的校验值来保证数据的安全。虽然UDP提供有错误检测，但检测到错误时，UDP不做错误校正，只是简单地把损坏的消息段扔掉，或者给应用程序提供警告信息。

2.TCP协议

1）定义

传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是为了在不可靠的互联网络上提供可靠的端到端字节流而专门设计的一个传输协议。

不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。

IP层并不保证数据报一定被正确地递交到接收方，也不指示数据报的发送速度有多快。正是TCP负责既要足够快地发送数据报，以便使用网络容量，但又不能引起网络拥塞：而且，TCP超时后，要重传没有递交的数据报。即使被正确递交的数据报，也可能存在错序的问题，这也是TCP的责任，它必须把接收到的数据报重新装配成正确的顺序。简而言之，TCP必须提供可靠性的良好性能，这正是大多数用户所期望的而IP又没有提供的功能。

2）主要功能

当应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，TCP则把数据流分割成适当长度的报文段，最大传输段大小（MSS）通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传送单元（MTU）限制。之后TCP把数据包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。 [3]

TCP为了保证报文传输的可靠，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传。

在数据正确性与合法性上，TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误，在发送和接收时都要计算校验和；同时可以使用md5认证对数据进行加密。
在保证可靠性上，采用超时重传和捎带确认机制。
在流量控制上，采用滑动窗口协议，协议中规定，对于窗口内未经确认的分组需要重传。
在拥塞控制上，采用广受好评的TCP拥塞控制算法（也称AIMD算法）。

3）TCP协议特点

基于流的方式；
面向连接；
可靠通信方式；
在网络状况不佳的时候尽量降低系统由于重传带来的带宽开销；
通信连接维护是面向通信的两个端点的，而不考虑中间网段和节点。

4）TCP协议规定

①数据分片：在发送端对用户数据进行分片，在接收端进行重组，由TCP确定分片的大小并控制分片和重组；
②到达确认：接收端接收到分片数据时，根据分片数据序号向发送端发送一个确认；
③超时重发：发送方在发送分片时启动超时定时器，如果在定时器超时之后没有收到相应的确认，重发分片；
④滑动窗口：TCP连接每一方的接收缓冲空间大小都固定，接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制，防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出；
⑤失序处理：作为IP数据报来传输的TCP分片到达时可能会失序，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层；
⑥重复处理：作为IP数据报来传输的TCP分片会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据；
⑦数据校验：TCP将保持它首部和数据的检验和，这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到分片的检验和有差错，TCP将丢弃这个分片，并不确认收到此报文段导致对端超时并重发。

5）TCP协议的报文格式

三、TCP协议的三次握手、四次挥手

1.建立连接

TCP是因特网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK，并最终对对方的 SYN 执行 ACK 确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接，TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。

TCP三次握手的过程如下：

客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。
服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （SEQ=y）ACK（ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。
客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK（ACK=y+1）报文，进入Established状态。

三次握手完成，TCP客户端和服务器端成功地建立连接，可以开始传输数据了。

2.连接终止

建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次挥手，这是由TCP的半关闭（half-close）造成的。

某个应用进程首先调用close，称该端执行“主动关闭”（active close）。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。
接收到这个FIN的对端执行 “被动关闭”（passive close），这个FIN由TCP确认。注意：FIN的接收也作为一个文件结束符（end-of-file）传递给接收端应用进程，放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后，因为，FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。
一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。
接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。

既然每个方向都需要一个FIN和一个ACK，因此通常需要4个分节。

四、TCP协议的可靠性如何保证？

1、应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块这和UDP完全不同，应用程序产生的数据长度将保持不变由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段（segment）；
2、当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认TCP有延迟确认的功能，在此功能没有打开，则是立即确认功能打开，则由定时器触发确认时间点；
3、 TCP将保持它首部和数据的检验和这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化如果收到段的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发端超时并重发）；
4、既然TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序如果必要，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层；
5、既然IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据；
6、 TCP还能提供流量控制TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出；

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参考资料：

1、 https://baike.baidu.com/item/TCP/33012?fromtitle=TCP%E5%8D%8F%E8%AE%AE&fromid=8988699；
2、 https://baike.baidu.com/item/UDP?fromtitle=UDP%E5%8D%8F%E8%AE%AE&fromid=421768；