TCP/IP传输层10个疑问linux内核

列出可能遇到的20个问题&＃xff0c;如果您是都能回答的高手&＃xff0c;请您绕道&＃xff0c;我是小菜&＃xff0c;只做自己的学习笔记。

1. 传输层的主要功能是什么&＃xff1f;
2. 传输层如何区分不同应用程序的数据流&＃xff1f;
3. 传输层有哪些协议&＃xff1f;
4. 什么是UDP协议&＃xff1f;
5. 为什么有了UDP&＃xff0c;还需要TCP&＃xff1f;
6. 什么是TCP协议&＃xff1f;
7. 怎么理解协议和程序&＃xff1f;
8. TCP是否真的有链接&＃xff1f;
9. 链接是如何建立的&＃xff08;逻辑上&＃xff09;&＃xff1f;
10. 所谓的建立TCP链接开销很大&＃xff0c;具体是指什么&＃xff1f;
11. 三次握手的目的是什么&＃xff1f;
12. TCP如何提供可靠性&＃xff1f;
13. 什么是预期确认&＃xff1f;什么是肯定确认与重新传输&＃xff1f;哪些情况会重传&＃xff1f;
14. TCP中&＃xff0c;序列号和应答号有哪些作用&＃xff1f;
15. TCP链接中&＃xff0c;网络失败&＃xff0c;是怎么判断的&＃xff1f;
16. 为什么需要窗口技术&＃xff1f;
17. 如何实现流量控制&＃xff1f;
18. UDP的开销很小&＃xff0c;具体是指什么&＃xff1f;
19. UDP数据包、TCP数据包大小如何确认&＃xff1f;
20. UDP适合哪些环境&＃xff1f;TCP适合哪些环境&＃xff1f;

一。传输层的主要功能是什么&＃xff1f;

分割并重新组装上层提供的数据流&＃xff0c;为数据流提供端到端的传输服务。

二。传输层如何区分不同应用程序的数据流&＃xff1f;

因为&＃xff0c;对应传输层而言&＃xff0c;它只需要知道目标主机上的哪个服务程序来响应这个程序&＃xff0c;而不需要知道这个服务程序是干什么的。因此&＃xff0c;我们只需要能够抽象的表示出来这些应用程序和服务程序即可。我们使用端口号来抽象标识每个网络程序。

因此&＃xff1a;在同一IP地址&＃xff08;同一个目标主机&＃xff09;上不同的端口号是两个不同的链接。IP地址和端口号用来唯一的确定网络上数据的目的地。

三。传输层有哪些协议&＃xff1f;

传输层的两大协议&＃xff1a;TCP&＃xff08;传输控制协议&＃xff09;UDP&＃xff08;用户数据包协议&＃xff09;
TCP是一个可靠的面向链接的协议&＃xff0c;UDP是不可靠的或者说无连接的协议。
可以用打电话和发短信来说明这种关系&＃xff1a;

UDP就好似发短信&＃xff0c;只管发出去&＃xff0c;至于对方是不是空号&＃xff08;网络不可到达&＃xff09;能不能收到&＃xff08;丢包&＃xff09;等并不关心。

TCP好像打电话&＃xff0c;双方要通话&＃xff0c;首先&＃xff0c;要确定对方不是开机&＃xff08;网络可以到达&＃xff09;&＃xff0c;然后要确定是不是没有信号&＃xff08;&＃xff09;&＃xff0c;然后还需要对方接听&＃xff08;通信链接&＃xff09;。

四。什么是UDP协议&＃xff1f;

UDP数据包结构如下图所示

UDP为应用程序提供的是一种不可靠的、无连接的分组交付&＃xff0c;因此&＃xff0c;UDP报文可能会出现丢失、乱序、重复、延时等问题。

五。为什么有了UDP&＃xff0c;还需要TCP&＃xff1f;

问题4中已经说到&＃xff0c;UDP为应用程序提供的是一种无连接、不可靠的分组交付。当网络硬件失效或者负担太重时&＃xff0c;数据包可能就会产生丢失、重复、延时、乱序的现象。这些都会导致我们的通信不正常。如果让应用程序来担负差错控制的工作&＃xff0c;无疑将给程序员带来许多复杂的工作&＃xff0c;于是&＃xff0c;我们使用独立的通信协议来保证通信的可靠性是非常必要的。

六。什么是TCP协议&＃xff1f;

传输控制协议TCP是一个面向链接的、可靠的通信协议。

1. 在开始传输前&＃xff0c;需要进行三次握手建立链接
2. 可靠性&＃xff1a;在传输过程中&＃xff0c;通信双方的协议模块继续进行通信
3. 通信结束后&＃xff0c;通信双方都会使用改进的三次握手来关闭链接

TCP数据包结构如下图

**七。怎么理解协议和程序&＃xff1f;**

如同我们自定义的应用层协议一样&＃xff1a;协议只是给出了一组规范&＃xff0c;规定我们应该怎么样&＃xff08;按什么规则&＃xff09;保存数据。

在计算机间传输的永远都是二进制字节码&＃xff08;对于传输层&＃xff0c;可以理解为传输的始终是下层的IP数据包&＃xff09;&＃xff0c;是计算机中的程序通过对这些字节码进行逻辑分析、判断&＃xff0c;来控制程序完成差错控制等功能。
至于解析这些字节码的程序&＃xff0c;则可以有不同的实现&＃xff0c;只要我们按照规则来解析&＃xff0c;并作出相应的控制&＃xff0c;我们大可以自己写个程序是实现相应功能。

八。TCP是否真的有链接&＃xff1f;

我们都知道&＃xff0c;TCP通过完成三次握手来建立链接的&＃xff0c;但是这种连接是面向虚电路的&＃xff0c;是物理上不存在的&＃xff0c;只是双方的TCP程序&＃xff0c;逻辑上的认为建立了这样的链接。

九。链接是如何建立的&＃xff08;逻辑上&＃xff09;&＃xff1f;

假设&＃xff1a;当我们在主机A上启动一个程序&＃xff0c;通过TCP去链接主机B上的9091端口。

整个过程是怎么样的呢&＃xff1f;逻辑上我们可以这么理解建立链接的过程&＃xff1a;

1.SYN:seq&＃61;X;

1.1 A的TCP程序&＃xff0c;为这个链接分配一个端口&＃xff08;设为9090&＃xff09;。
1.2 同时逻辑上的将TCP连接的状态设置为&＃xff1a;正在连接。&＃xff08;通过在链接状态表中添加一条记录&＃xff0c;记录中状态为&＃xff1a;正在连接&＃xff09;

猜想&＃xff1a;

1.3 同时&＃xff0c;随机生成一个初始序列号X&＃xff0c;生成一个TCP包&＃xff0c;将初始化序列号X设置为TCP中的序列号&＃xff0c;发送给主机B。

2.SYN:seq&＃61;Y ACK:ack&＃61;X&＃43;1;

2.1 B上TCP程序收到该数据包&＃xff0c;查询9091端口状态&＃xff0c;如果可以链接。
2.2 同样的&＃xff0c;在逻辑上的将TCP连接的状态设置为&＃xff1a;正在连接
2.3 同时&＃xff0c;随机生成一个初始化序列号Y&＃xff0c;根据接收的序列号X&＃xff0c;生成应答号X&＃43;1&＃xff0c;生成一个TCP包&＃xff0c;将序列号和应答号分别设置到TCP包头中&＃xff0c;将TCP数据包发给主机A。

3.SYN:seq&＃61;X&＃43;1 ACK:ack&＃61;Y&＃43;1.

3.1 A上的TCP程序接收到数据包&＃xff0c;查询9090端口状态。
3.2 根据收到的SYN:seq&＃61;Y;ACK:ack&＃61;X&＃43;1; 封装一个TCP包 SYN:seq&＃61;x&＃43;1;ACK:ack&＃61;Y&＃43;1;发送给主机B。同时&＃xff0c;TCP程序将链接状态表中该条记录状态设置为已连接。
3.3 主机B收到数据包&＃xff0c;TCP程序将链接状态表中该条记录状态设置为已连接。

至此&＃xff0c;一个TCP链接建立&＃xff08;三次握手&＃xff09;完成。
我们可以看到&＃xff1a;
第一&＃xff1a;传送的都是IP数据包&＃xff0c;其实只是将收到的数据包交给TCP程序处理。
第二&＃xff1a;链接状态&＃xff0c;只是TCP程序中的一个逻辑状态。

十&＃xff1a;所谓的建立TCP链接开销很大&＃xff0c;具体是指什么&＃xff1f;

从九中&＃xff0c;很容易看出。要简历TCP链接&＃xff0c;必须进行三次IP数据包的成功传输。

十一&＃xff1a;三次握手的目的是什么&＃xff1f;

TCP是面向链接的&＃xff0c;在面向链接的环境中&＃xff0c;开始传输数据之前&＃xff0c;在两个中端之间必须先建立一个链接。建立链接的过程可以确保通信双方在发送应用程序数据包之前&＃xff0c;都已经准备好了传送和接收数据。并且使通信双方统一了初始化序列号。

十二&＃xff1a;TCP如何提供可靠性&＃xff1f;

在传输过程中&＃xff0c;通信双方的协议模块继续进行通信&＃xff0c;从而确保了传输的可靠性。
针对乱序&＃xff1a;在通过三次握手进行链接时&＃xff0c;序列号被初始化。在传输过程中&＃xff0c;TCP继续使用这个序列号来标记发送的每一个数据段&＃xff0c;没传送一个数据段&＃xff0c;序列号加一。接收方依据序列号重装收到的数据段。
针对丢包&＃xff1a;在传输过程中&＃xff0c;接收方收到一个数据段后&＃xff0c;会用ACK应答码向发送端回复一个IP包进行应答&＃xff0c;确认号ACK用来告诉发送端哪些数据包已经成功接收&＃xff0c;发送方对未被应答的报文段提供重传。
针对重复&＃xff1a;接收端收到数据段后&＃xff0c;查看序列号&＃xff0c;如果已经成功接收改数据包&＃xff0c;则丢弃后面这个数据段。
针对延时&＃xff1a;延时造成的第一个问题&＃xff0c;就是数据包达到接收端时乱序。
当延时严重时&＃xff0c;接收端一直未收到数据段&＃xff0c;则不会回复ACK&＃xff0c;发送端认为丢包&＃xff0c;重发。

十三&＃xff1a;什么是预期确认&＃xff1f;什么是肯定确认与重新传输&＃xff1f;哪些情况会重传&＃xff1f;

1.确认号ACK会告诉发送端哪些数据段已经成功接收&＃xff0c;并且确认号会向发送端指出接收端希望收到的下一个序列号。即&＃xff0c;确实号ACK为上个数据序列号&＃43;1&＃xff0c;这种机制称为预期确认。

2.为了提高效率&＃xff0c;我们在发送端&＃xff0c;将数据段保存在缓冲区中&＃xff0c;直道发送端收到来自接收端的确认号。这种机制被称为“肯定确认与重新传输”。

3.当发送端在给定时间间隔内收不到那个数据段的应答时&＃xff0c;发送端就会重传那个数据段。
情况1&＃xff1a;网络延时/环路&＃xff0c;数据段丢失
情况2&＃xff1a;网络延时&＃xff0c;数据段推迟到达
情况3&＃xff1a;数据段成功到达&＃xff0c;应答因为1.2不能达到。

十四&＃xff1a; TCP中&＃xff0c;序列号和应答号有哪些作用&＃xff1f;

从以上10,11,12中&＃xff0c;很明显的可以看到

1. 1. 1. 依靠序列号重组数据段
      2. 依靠数据包消除网络中的重复包
      3. 依靠序列号和应答号进行差错重传&＃xff0c;提高了TCP的可靠性

十六&＃xff1a;为什么需要窗口技术&＃xff1f;

前面我们已经说了&＃xff0c;TCP的可靠性&＃xff0c;是通过预期确认来实现的。即发送方发送一个数据段后&＃xff0c;需要得到对方的确认后&＃xff0c;才会发送下一个数据段。
因此&＃xff0c;假设一个数据段大小为64KB&＃xff08;IP包最大值&＃xff09;&＃xff0c;一次发送和确认需要的时间为500MS&＃xff0c;则&＃xff0c;1S内&＃xff0c;只能传送128KB的数据&＃xff0c;如果带宽为1M&＃xff0c;显然很浪费带宽。为了充分利用带宽&＃xff0c;我们使用窗口技术。滑动窗口允许发送方在收到接收方的确认之前发送多个数据段。&＃xff08;窗口大小决定了在收到确认前可以发送的数据段数量&＃xff09;

十七&＃xff1a;如何实现流量控制&＃xff1f;

窗口数决定了当前传输的最大流量。当我们在传输过程中&＃xff0c;通信双方可以根据网络条件动态协商窗口大小&＃xff0c;调整窗口大小时&＃xff0c;即可实现流量控制。&＃xff08;在TCP的每个确认中&＃xff0c;除了ACK外&＃xff0c;还包括一个窗口通知&＃xff09;

十八&＃xff1a;UDP的开销很小&＃xff0c;具体是指什么&＃xff1f;

1.因为UDP是无连接的。在传输数据之前&＃xff0c;不需要进行复杂的三次握手来建立连接。
2.在传输数据时&＃xff0c;没有协议间通信流量&＃xff08;确认信号&＃xff09;&＃xff0c;也不需要浪费不必要的处理时间&＃xff08;接收确认信号再发一下&＃xff09;。
3&＃xff1b;传输结束后&＃xff0c;也不用再用改进的三次握手来端口连接。

十九&＃xff1a;UDP数据包、TCP数据包大小如何确认&＃xff1f;

1. 1. 
      无论TCP还是UDP数据包&＃xff0c;都需要交给Internet层封装为IP包&＃xff0c;而一个IP包&＃xff0c;包头中的长度位为16位&＃xff0c;所以IP包最大为2的16方&＃xff0c;即65535&＃xff08;64KB还需要减去各种包头长度&＃xff09;。
   2. 
      TCP因为面向流&＃xff0c;且可以凭借序列号对大文件进行分段和重组&＃xff0c;因此&＃xff0c;TCP可以用来传输较大的文件。而UDP&＃xff0c;如果要传输大于64KB的数据&＃xff0c;则需要自己在应用层进行差错控制。
   3. 
      为了提高传输效率和减少网络通信量&＃xff08;协议间的通信&＃xff09;&＃xff0c;TCP也会一次传输足够多的数据。
   4. 
      因为MTU的存在&＃xff0c;TCP包和UDP包不是越大越好。&＃xff08;在路由中分包&＃xff0c;在接收端重组&＃xff0c;加大路由与接收端负担&＃xff0c;增大丢包概率。分组丢失&＃xff0c;整个数据包重传。&＃xff09;

二十&＃xff1a;UDP适用哪些环境&＃xff1f;TCP适用哪些环境&＃xff1f;

适合UDP的环境&＃xff1a;
1.在高效可靠的网络环境中&＃xff08;不需要考虑网络不好导致的丢包、乱序、延时、重复等问题&＃xff09;&＃xff0c;因为UDP是无连接的服务&＃xff0c;不用消耗不必要的网络资源&＃xff08;TCP中的协议间通信&＃xff09;和处理时间&＃xff08;预期确认需要的时间&＃xff09;&＃xff0c;从而效率要高的多。
2.在轻权通信中&＃xff0c;当需要传输的数据量很小&＃xff08;可以装在一个IP数据包内&＃xff09;时。如果我们使用TCP协议&＃xff0c;那么&＃xff0c;先建立连接&＃xff0c;一共需要发送3个IP数据包&＃xff0c;然后数据传输&＃xff0c;1个IP数据包&＃xff0c;产生一个确认信号的IP包&＃xff0c;然后关闭连接&＃xff0c;需要传输5个IP数据包。使用TCP协议IP包的利用率为1/10。而使用UDP&＃xff0c;只需要发送一个IP数据包。哪怕丢包&＃xff08;服务不成功&＃xff09;&＃xff0c;也可重新申请服务&＃xff08;重传&＃xff09;。

UDP很适合这种客户机向服务器传送简单服务请求的环境。此类应用层协议包括TFTP , SNMP , DNS ,DHCP等。
3.在对实时性要求很强的通信中&＃xff1a;在诸如实时视频直播等对实时性要求很高的环境中&＃xff0c;从而允许一定量的丢包的情况下&＃xff08;直播比赛&＃xff0c;前面丢失的包&＃xff0c;重传出来已经意义不大了&＃xff09;&＃xff0c;UDP更适合。&＃xff08;可以根据具体需要通过应用层协议提供可靠性&＃xff0c;不用像TCP那么严格。&＃xff09;

适合TCP协议的环境&＃xff1a;

当网络硬件失效或者负担太重时&＃xff0c;数据包可能就会产生丢失、重复、延时、乱序的现象。这些都会导致我们的通信不正常的时候。如果让应用程序来担负差错控制的工作&＃xff0c;无疑将给程序员带来许多复杂的工作&＃xff0c;于是&＃xff0c;我们使用独立的通信协议来保证通信的可靠性是非常必要的。