TCP UDP IP 协议解析

现在的操作系统基本都实现了TCP/IP协议，TCP/IP协议栈分为五层：

应用层：向用户提供的一组常用的应用程序，如TELNET，FTP,SMTP,SNTP,DNS,HTTP，这些应用程序有一个端口用来标识。

传输层：主要协议是TCP和UDP，提供应用程序的通信。

网络层：主要协议是IP协议，定义了IP地址格式，是不同应用程序的数据在网络上通畅传输的关键。

链路层：这是TCP/IP软件的最低层，负责接收IP数据包并通过网络发送之，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。

物理层：

每层都有不同的协议，这些协议其实就是双方进行通信的一种格式。在此我们分析TCP/UDP/IP协议。

在网络中，一帧以太网数据包的格式如下：

1、TCP协议

TCP协议是面向连接、保证高可靠性（数据无丢失，无失序，无错误，无重复）的传输协议。这里就不再详解TCP报头了。在TCP传输中，重点要了解三次握手建立连接和四次挥手释放连接的过程，这在我的socket通信博文中详细的解释。

TCP 是如何保证可靠性传输的呢？在TCP中采用一种名为“带重传功能的肯定确认”机制作为提供可靠数据传输服务的基础。这项技术要求接收方收到数据之后向源站 回送确认信息ACK。发送方对发出的每个分组都保存一份记录，在发送下一个分组之前等待确认信息。发送方还在送出分组的同时启动一个定时器，并在定时器的 定时期满而确认信息还没有到达的情况下，重发刚才发出的分组。如下图，左边是正常传输的情况，右边是出现分组丢失的情况，当发送方在正常时间内还没有收到 接收方发送来的确认消息，则启动定时器，定时器超时后重传分组。

可 是网络传输过程中是不可预测的，比如由于拥塞导致延迟，为了避免由于网络延迟引起迟到的确认和重复的确认，协议规定在确认信息中稍带一个分组的序号，使接 收方能正确将分组与确认关联起来。从图 3-5可以看出，虽然网络具有同时进行双向通信的能力，但由于在接到前一个分组的确认信息之前必须推迟下一个分组 的发送，简单的肯定确认协议浪费了大量宝贵的网络带宽。为此， TCP使用滑动窗口的机制来提高网络吞吐量，同时解决端到端的流量控制。滑动窗口技术因此 而产生了。

滑 动窗口技术是简单的带重传的肯定确认机制的一个更复杂的变形，它允许发送方在等待一个确认信息之前可以发送多个分组。如图 3-7所示，发送方要发送一个 分组序列，滑动窗口协议在分组序列中放置一个固定长度的窗口，然后将窗口内的所有分组都发送出去；当发送方收到对窗口内第一个分组的确认信息时，它可以向 后滑动并发送下一个分组；随着确认的不断到达，窗口也在不断的向后滑动。

2、UDP协议

UDP协议与TCP协议都处于第四层——传输层，但与TCP协议不同，它是一种无连接、不可靠的传输协议，它不提供数据包分组、组装，也不对数据包排序，报文发送之后，无法得知其是否安全完整到达。因此选择UDP必须谨慎，在网络质量特别差的时候，数据包丢包情况会比较严重。既然如此，那我们为什么还需要使用UDP协议呢？这得说下UDP的特性了：

（1）由于传输数据不建立连接，不需要维护连接状态和收发状态了，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。

（2） UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。

正是UDP具有资源消耗小，处理速度快的特点，在一些视频、音频和普通数据传输中使用较多，比如QQ,SNMP,DNS等，因为他们即使偶尔丢失一两个数据包并不会对接收结果产生影响。

UDP和TCP都是使用端口号来标识运行在某个设备上的应用程序。IETF IANA定义了三种端口组：公认端口（0-1023）、注册端口（1024-49151）和动态/私有端口（49152-65535）。

数据传输过程举例：

接 收数据的主机A的应用程序要申请一个UDP端口，假设为P，发送方应用程序准备好数据后，将其交给UDP协议，让其将该数据发送给主机A的端口P。UDP 协议将应用程序的数据作为UDP数据包的数据部分封装在一个UDP数据包中。将数据包的目标端口字段设置为P。然后将UDP数据包交给IP协议处理，IP 协议将UDP数据包作为IP数据包的数据封装在一个IP数据包里，将目的地址设为A，协议字段设置为17，然后交到网络层处理并发送出去。可能经过几次路 由，最终到达主机A的IP协议层。主机A的IP协议发现协议字段为17，就将IP数据包的数据区提取出来交给UDP协议处理。UDP根据端口号P，将数据 区放置在UDP端口P的队列中，A的应用程序就从该队列中将数据取出，进行处理。

3、IP协议

IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有的TCP、UDP、ICMP及IGM P数据都以IP数据报格式传输，它的特点如下:

不 可靠（unreliable）：意思是它不能保证IP数据报能成功地到达目的地。IP仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了 缓冲区， IP有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送 ICMP消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如TCP） 。

无 连接（connectionless）：这个术语的意思是IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明，IP数据 报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是A，然后是B） ，每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。

在这里不得不说下分片技术了。

以 太网和802.3对数据帧的长度都有一个限制，其最大值分别是1500和1492个字节，链路层的这个特性称作MTU。不同类型的网络大多数都有一个上 限。如果IP层有一个数据要传，且数据的长度比链路层的MTU还大，那么IP层就要进行分片（fragmentation），把数据报分成若干片，这样每 一个分片都小于MTU。

把一份IP数据报进行分片后，由到达目的端的IP层来重组，这个过程对上层传输层是透明的。由于每一分片都是一个独立的包，当这些数据报的片到达目的端时有可能会失序，但是在IP首部中有足够的信息让接收端能正确组装这些数据报片。

尽 管如此，但依然有让人不如意的地方：那就是即使只丢失一片数据也要重传整个数据报。why？因为IP层本身没有超时重传机制------由更高层（比如 TCP）来负责超时和重传。当来自TCP报文段的某一片丢失后，TCP在超时后会重发整个TCP报文段，该报文段对应于一份IP数据报（而不是一个分 片），没有办法只重传数据报中的一个数据分片。
使 用UDP很容易导致IP分片，TCP试图避免IP分片。那么TCP是如何试图避免IP分片的呢？其实说白了，采用TCP协议进行数据传输是不会造成IP分 片的，因为一旦TCP数据过大，超过了MSS，则在传输层会对TCP包进行分段（如何分，见下文！），自然到了IP层的数据报肯定不会超过MTU，当然也 就不用分片了。而对于UDP数据报，如果UDP组成的IP数据报长度超过了1500，那么IP数据报显然就要进行分片，因为UDP不能像TCP一样自己进 行分段。总结：UDP不会分段，就由我IP来分。TCP会分段，当然也就不用我IP来分了！
MSS（Maxitum Segment Size）最大分段大小的缩写，是TCP协议里面的一个概念：
（1）MSS 就是TCP数据包每次能够传输的最大数据分段。为了达到最佳的传输效能TCP协议在建立连接的时候通常要协商双方的MSS值，这个值TCP协议在实现的时 候往往用MTU值代替（需要减去IP数据包包头的大小20Bytes和TCP数据段的包头20Bytes）所以往往MSS为1460。通讯双方会根据双方 提供的MSS值得最小值确定为这次连接的最大MSS值。
（2）相信看到这里，还有最后一个问题：TCP是如何实现分段的呢？其实TCP无所谓分段，因为每个TCP数据报在组成前其大小就已经被MSS限制了，所以TCP数据报的长度是不可能大于MSS的，当然由它形成的IP包的长度也就不会大于MTU，自然也就不用IP分片了。