什么是 TCP ?

TCP 是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
面向连接:一定是「一对一」才能连接，不能像 UDP 协议可以一个主机同时向多个主机发送消息，也就是一 对多是无法做到的;
可靠的:无论的网络链路中出现了怎样的链路变化，TCP 都可以保证一个报文一定能够到达接收端;
字节流:消息是「没有边界」的，所以无论我们消息有多大都可以进行传输。并且消息是「有序的」，当 「前一个」消息没有收到的时候，即使它先收到了后面的字节，那么也不能扔给应用层去处理，同时对「􏰀
复」的报文会自动丢弃。

TCP头部都有什么

image.png
序列号:在建立连接时由计算机生成的随机数作为其初始值，通过 SYN 包传给接收端主机，每发送一次数据，就 「累加」一次该「数据字节数」的大小。用来解决网络包乱序问题。
确认应答号:指下一次「期望」收到的数据的序列号，发送端收到这个确认应答以后可以认为在这个序号以前的数 据都已经被正常接收。用来解决不丢包的问题。
控制位:
ACK:该位为 1 时，「确认应答」的字段变为有效，TCP 规定除了最初建立连接时的 SYN 包之外该位必 须设置为 1 。
RST:该位为 1 时，表示 TCP 连接中出现异常必须强制断开连接。SYN:该位为 1 时，表示希望建立连接，并在其「序列号」的字段进行序列号初始值的设定。
FIN:该位为 1 时，表示今后不会再有数据发送，希望断开连接。当通信结束希望断开连接时，通信双方的 主机之间就可以相互交换 FIN 位为 1 的 TCP 段。

什么是TCP连接？

简单来说就是，用于保证可靠性和流量控制维护的某些状态信息，这些信息的组合，包括Socket、序列号和窗口 大小称为连接。
所以我们可以知道，建立一个 TCP 连接是需要客户端与服务器端达成上述三个信息的共识。

  • Socket:由 IP 地址和端口号组成
  • 序列号:用来解决乱序问题等
  • 窗口大小:用来做流􏰁控制

如何唯一确定一个 TCP 连接呢?
TCP 四元组可以唯一的确定一个连接，四元组包括如下:

  • 源地址
  • 源端口
  • 目的地址
    目的端口
    image.png

源地址和目的地址的字段(32位)是在 IP 头部中，作用是通过 IP 协议发送报文给对方主机。
源端口和目的端口的字段(16位)是在 TCP 头部中，作用是告诉 TCP 协议应该把报文发给哪个进程。

有一个 IP 的服务器监听了一个端口，它的 TCP 的最大连接数是多少?
服务器通常固定在某个本地端口上监听，等待客户端的连接请求。
因此，客户端 IP 和 端口是可变的，其理论值计算公式如下:
image.png
对 IPv4，客户端的 IP 数最多为 2 的 32 次方，客户端的端口数最多为 2 的 16 次方，也就是服务端单机最 大 TCP 连接数，约为 2 的 48 次方。
当然，服务端最大并发 TCP 连接数远不能达到理论上限。

  • 首先主要是文件描述符限制，Socket 都是文件，所以首先要通过 ulimit 配置文件描述符的数目;
  • 另一个是内存限制，每个 TCP 连接都要占用一定内存，操作系统的内存是有限的。

TCP和UDP区别？分别的应用场景是？

先来看下udp头部：
image.png

  • 目标和源端口:主要是告诉 UDP 协议应该把报文发给哪个进程。
  • 包⻓度:该字段保存了 UDP 首部的⻓度跟数据的⻓度之和。
  • 校验和:校验和是为了提供可靠的 UDP 首部和数据而设计。

TCP 和 UDP 区别:
1. 连接

  • TCP 是面向连接的传输层协议，传输数据前先要建立连接。
  • UDP 是不需要连接，即刻传输数据。

2. 服务对象

  • TCP 是一对一的两点服务，即一条连接只有两个端点。
  • UDP 支持一对一、一对多、多对多的交互通信

3. 可靠性

  • TCP 是可靠交付数据的，数据可以无差错、不丢失、不重复、按需到达。
  • UDP 是尽最大努力交付，不保证可靠交付数据。

4. 拥塞控制、流量控制

  • TCP 有拥塞控制和流量控制机制，保证数据传输的安全性。
  • UDP 则没有，即使网络非常拥堵了，也不会影响 UDP 的发送速率。

5. 首部开销

  • TCP 首部⻓度较⻓，会有一定的开销，首部在没有使用「选项」字段时是20 个字节，如果使用了「选项」字段则会变⻓的。
  • UDP 首部只有 8 个字节，并且是固定不变的，开销较小。

6. 传输方式

  • TCP 是流式传输，没有边界，但保证顺序和可靠。
  • UDP 是一个包一个包的发送，是有边界的，但可能会丢包和乱序。

7. 分片不同

  • TCP 的数据大小如果大于 MSS 大小，则会在传输层进行分片，目标主机收到后，也同样在传输层组装 TCP数据包，如果中途丢失了一个分片，只需要传输丢失的这个分片。
  • UDP 的数据大小如果大于 MTU 大小，则会在 IP 层进行分片，目标主机收到后，在 IP 层组装完数据，接着 再传给传输层，但是如果中途丢了一个分片，在实现可靠传输的 UDP 时则就需要􏰀传所有的数据包，这样 传输效率非常差，所以通常 UDP 的报文应该小于 MTU。

TCP 和 UDP 应用场景:
由于 TCP 是面向连接，能保证数据的可靠性交付，因此经常用于:

  • FTP 文件传输
  • HTTP / HTTPS

由于 UDP 面向无连接，它可以随时发送数据，再加上UDP本身的处理既简单又高效，因此经常用于:

  • 包总量较少的通信，如 DNS 、 SNMP 等
  • 视频、音频等多媒体通信
  • 广播通信

为什么 UDP 头部没有「首部⻓度」字段，而 TCP 头部有「首部⻓度」字段呢?
原因是 TCP 有可变⻓的「选项」字段，而 UDP 头部⻓度则是不会变化的，无需多一个字段去记录 UDP 的首部⻓ 度。

TCP数据长度：
image.png

为什么 UDP 头部有「包⻓度」字段，而 TCP 头部则没有「包⻓度」字段呢?
IP 总⻓度 和 IP 首部⻓度，在 IP 首部格式是已知的。TCP 首部⻓度，则是在 TCP 首部格式已知的，所以就 可以求得 TCP 数据的⻓度。

UDP 也是基于 IP 层的呀，那 UDP 的数据⻓度也可以通过这个公式计算呀? 为何还要有 「包⻓度」呢?”
因为为了网络设备硬件设计和处理方便，首部⻓度需要是 4 字节的整数倍。
如果去掉 UDP 「包⻓度」字段，那 UDP 首部⻓度就不是 4 字节的整数倍了，所以这可能是为了补全 UDP 首部⻓度是 4 字节的整数倍，才补充了「包⻓度」字段。