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计算机网络-传输层协议专项复习(上)
⭐️⭐️这篇文章是一个我计算机网络复习的大汇总，参考了许多文章，也非常感谢大佬对我这篇文章的帮助，由于内容太多了我把它分成了上下两篇来写，这一篇将传输层协议TCP、UDP
以上是这篇文章的思维导图，个人建议复习的小伙伴都可以搞一个，方便自己复习用~
TCP和UDP的区别
首先
- 「TCP是面向连接的、可靠的、基于字节流」的传输层协议
- 「UDP是一个面向无连接」的传输层协议
「详细的区别：」
1、tcp是基于连接的，可靠性高；udp是基于无连接的，可靠性较低；
2、由于tcp是连接的通信，需要有三次握手、重新确认等连接过程，会有延时，实时性差；由于协议所致，安全性较高；而udp无连接，无建立连接的过程，因而实时性较强，安全略差；
3、在传输相同大小的数据时，tcp首部开销20字节；udp首部开销只有8个字节，tcp报头比udp复杂，故实际包含的用户数据较少。tcp无丢包，而udp有丢包，故tcp开销大，udp开销较小；
4、每条tcp连接只能是点到点的；udp支持一对一、一对多、多对一、多对多的交互通信。
「应用场景的区别：」
- 由于TCP和UDP的特点，如果对实时性要求高和高速传输的场景下需要使用UDP；
- 如果需要传输大量数据且对数据可靠性要求高的场景使用TCP；
- 在可靠性要求低追求效率的情况使用UDP；
TCP三大核心：
- 「面向连接」；所谓面向连接，指的是客户端与服务端的连接，在双方互相通信之前，TCP需要三次握手简历连接，而UDP没有相应的简历连接的过程
- 「可靠性」；TCP可靠性主要体现在「1有状态2可控制」
- 「面向字节流」；UDP数据传输基于数据报，仅仅是继承了IP层的特性，而TCP为维护状态，将IP包变成了字节流
「有状态」；TCP会精准记录哪些数据发送了，被对方接受了，哪些没有，而保证数据按序到达，不允许差错「可控制」；意识到丢包或者网络环境差，TCP根据具体情况调整自己的行为，控制自己发送速度或重发
而UDP不可靠原因：无状态，不可控
TCP三次握手
一次握手过程及变化、为什么不是两次、为什么不是四次、握手过程中可以携带数据吗、同时发起挥手会怎样
TCP三次握手的过程
三次握手要确认双方的两样能力：发送能力与接收的能力。
- 客户端注重发起连接，发送SYN，自己变成了SYN-SENT状态
- 服务端收到，返回SYN和ACK（对应客户端发来的SYN），自己变成了SYN-RECD
- 客户端再发送ACK给服务端，自己变成ESTABLISHED（established）状态；服务端收到ACK之后，也变成这个状态
为什么不是两次？
根本原因：无法确认客户端的接收能力。可能出现的问题是，两次握手，服务端只要接收到然后发送相应的数据包，就 默认连接 了 ，但是事实上现在客户端可能已经断开连接了，这样也就带来了连接资源的浪费 ``
为什么不是四次？
因为三次已经足够确认双方的发送和接收的能力了，四次以及四次以上当然就没必要啦
三次握手过程中可以携带数据吗？
可以，但是只有第三次，此时的established状态相对安全并且够确认服务器的接收发送能力。
而不能在第一次握手携带数据是为了防止黑客在syn中放入大量数据造成服务器资源的消耗。
四次挥手断开连接
- 首先客户端主动关闭，向服务器发
FIN报文 - 服务端接收后通知应用进程并向客户端发送
ACK确认 - 服务端处理完后被动关闭再次向客户端发送
FIN以及ACK，进入LAST-ACK状态， - 客户端收到服务端发来的
FIN后，发送ACK给服务端。在等待2MSL后进入CLOSED状态
注意了，这个时候，客户端需要等待两个
MSL(Maximum Segment Lifetime，报文最大生存时间),在这段时间内如果客户端没有收到服务端的重发请求，那么表示ACK成功到达，挥手结束，否则客户端重发 ACK。
为什么要等待 2 MSL?
- 1 个 MSL 确保四次挥手中主动关闭方最后的 ACK 报文最终能达到对端
- 1 个 MSL 确保对端没有收到 ACK 重传的 FIN 报文可以到达
为什么是四次挥手而不是三次？
- 因为服务端在接收到
FIN, 往往不会立即返回FIN, 必须等到服务端所有的报文都发送完毕了，才能发FIN。 - 因此先发一个ACK表示已经收到客户端的
FIN，延迟一段时间才发FIN。这就造成了四次挥手。如果是三次挥手会有什么问题？等于说服务端将ACK和FIN的发送合并为一次挥手，长时间的延迟可能会导致客户端误以为FIN没有到达客户端，从而让客户端不断的重发FIN。
同时发起挥手
在发送方给接收方发SYN报文的同时，接收方也给发送方发SYN报文
上图就是解释同时打开情况下的状态变迁。
- 发完SYN，两者的状态都变为SYN-SENT。
- 在各自收到对方的SYN后，两者状态都变为SYN-REVD。
- 接着会回复对应的ACK + SYN，这个报文在对方接收之后，两者状态一起变为ESTABLISHED。
SYN Flood
半连接队列、全连接队列、SYN Flood攻击过程、如何应对这种攻击
半连接队列
当客户端发送SYN到服务端，服务端收到以后回复ACK和SYN，状态由LISTEN变为SYN_RCVD，此时这个连接就被推入了「SYN队列」，也就是半连接队列。
全连接队列
当客户端返回ACK, 服务端接收后，三次握手完成。这个时候连接等待被具体的应用取走，在被取走之前，它会被推入另外一个 TCP 维护的队列，也就是全连接队列(Accept Queue)。
SYN Flood 攻击原理
SYN Flood 属于「典型的 DoS/DDoS 攻击」。其攻击的原理很简单，就是用客户端在短时间内伪造大量不存在的 IP地址，并向服务端疯狂发送SYN。对于服务端而言，会产生两个危险的后果:
- 处理大量的SYN包并返回对应ACK, 势必有大量连接处于SYN_RCVD状态，从而占满整个半连接队列，无法处理正常的请求。
- 由于是不存在的 IP，服务端长时间收不到客户端的ACK，会导致服务端不断重发数据，直到耗尽服务端的资源。
如何应对 SYN Flood 攻击？
- 「增加 SYN 连接」，也就是增加半连接队列的容量。
- 「减少 SYN + ACK 重试次数」，避免大量的超时重发。
- 「利用 SYN Cookie技术」，在服务端接收到SYN后不立即分配连接资源，而是根据这个SYN计算出一个Cookie，连同第二次握手回复给客户端，在客户端回复ACK的时候带上这个Cookie值，服务端验证Cookie 合法之后才分配连接资源。
半连接队列和 SYN Flood 攻击的关系
-
三次握手前，服务端的状态从
CLOSED变为LISTEN, 同时在内部创建了两个队列：半连接队列和全连接队列，即SYN队列和ACCEPT队列。 -
半连接队列是当客户端发送
SYN到服务端，服务端收到以后回复ACK和SYN，状态由LISTEN变为SYN_RCVD，此时这个连接就被推入了「SYN队列」 -
SYN Flood在短时间内伪造大量不存在的 IP地址，并向服务端疯狂发送SYN。处理大量的SYN包并返回对应ACK, 势必有大量连接处于SYN_RCVD状态，从而占满整个半连接队列，无法处理正常的请求。
-
剖析TCP报文首部字段
源端口、目标端口、序列号、ISN：ISN是如何计算的，为什么、确认号标记位窗口大小校验和可选项
- 源端口、目标端口
如何标识唯一标识一个连接？答案是 TCP 连接的四元组——源 IP、源端口、目标 IP 和目标端口。
那 TCP 报文怎么没有源 IP 和目标 IP 呢？这是因为在 IP 层就已经处理了 IP 。TCP 只需要记录两者的端口即可。- 序列号 即Sequence number, 指的是本报文段第一个字节的序列号。
序列号在 TCP 通信的过程中有两个作用:
在 SYN 报文中交换彼此的初始序列号。
保证数据包按正确的顺序组装。- ISN
即Initial Sequence Number（初始序列号）,在三次握手的过程当中，双方会用过SYN报文来交换彼此的 ISN。
ISN 并不是一个固定的值，而是每 4 ms 加一，溢出则回到 0，这个算法使得猜测 ISN 变得很困难。那为什么要这么做？
如果 ISN 被攻击者预测到，要知道源 IP 和源端口号都是很容易伪造的，当攻击者猜测 ISN 之后，直接伪造一个 RST 后，就可以强制连接关闭的，这是非常危险的。
而动态增长的 ISN 大大提高了猜测 ISN 的难度。- 确认号 即ACK(Acknowledgment number)。用来「告知对方下一个期望接收的序列号」，小于ACK的所有字节已经全部收到。
- 标记位 常见的标记位有SYN,ACK,FIN,RST,PSH。
- SYN 和 ACK 已经在上文说过，后三个解释如下:「FIN」：即 Finish，表示发送方准备断开连接。「RST」：即 Reset，用来强制断开连接。「PSH」：即 Push, 告知对方这些数据包收到后应该马上交给上层的应用，不能缓存。
- 窗口大小 占用两个字节，实际上是不够用的。因此 TCP 引入了窗口缩放的选项，作为窗口缩放的比例因子，这个比例因子的范围在 0 ~ 14，比例因子可以将窗口的值扩大为原来的 2 ^ n 次方。
- 校验和 占用两个字节，防止传输过程中数据包有损坏，如果遇到校验和有差错的报文，TCP 直接丢弃之，等待重传。
- 可选项 常用的可选项有以下几个: TimeStamp: TCP 时间戳，后面详细介绍。MSS: 指的是 TCP 允许的从对方接收的最大报文段。SACK: 选择确认选项。Window Scale：窗口缩放选项。
不要死记，只要有个印象就行
TCP快速打开（TFO）原理
首轮三次握手、之后的三次握手、TFO优势
TFO 流程
首轮三次握手
就是第二次握手的时候不是立即返回SYN+ACK了，
而是返回计算得到的`SYN cookie`,
放在TCP报文的Fast Open（快速打开）选项中，
客户端拿到cookie将其缓存- 首先客户端「发送SYN」给服务端，服务端接收到。
注意哦！现在服务端不是立刻回复 SYN + ACK，而是通过「计算」得到一个「SYN Cookie」, 将这个Cookie放到 TCP 报文的 「Fast Open」选项中，然后才给客户端返回。- 客户端拿到这个 「Cookie 的值缓存」下来。后面正常完成三次握手。
首轮三次握手就是这样的流程。而后面的三次握手就不一样啦！
后面的三次握手
客户端发送Cookie+SYN+HTTP请求，
服务端验证合法，先确认，返回SYN+ACK，`返回HTTP响应`
客户端传ACK-
在后面的三次握手中，客户端会将之前「缓存的 Cookie、SYN 和HTTP请求」(是的，你没看错)发送给服务端，服务端「验证」了 Cookie 的合法性，如果不合法直接丢弃；如果是合法的，那么就正常返回SYN + ACK。
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重点来了，现在服务端能向客户端发 HTTP 响应了！这是最显著的改变，三次握手还没建立，仅仅验证了 Cookie 的合法性，就可以返回 HTTP 响应了。 -
当然，客户端的ACK还得正常传过来，不然怎么叫三次握手嘛。
注意: 客户端最后握手的 ACK 不一定要等到服务端的 HTTP 响应到达才发送，两个过程没有任何关系。
「TFO 的优势」
拿到Cookie验证通过就能返回HTTP请求了，
利用了1个往返时延`RTT`提前进行数据传输TFO 的优势并不在与首轮三次握手，而「在于后面的握手」，在拿到客户端的 Cookie 并验证通过以后，可以「直接返回 HTTP 响应」，充分利用了1 个「RTT」(Round-Trip Time，往返时延)的时间「提前进行数据传输」，积累起来还是一个比较大的优势。
TCP时间戳作用
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计算往返时延RTT
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防止序列号回绕的问题
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TCP超时重传算法
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经典方法
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Jacobson / Karels 算法
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TCP流量控制
TCP滑动窗口概念、流量控制过程
流量控制要做的事情，就是在通过接收缓存区的大小，控制发送端的发送。如果对方的接收缓存区满了，就不能再继续发送了。
具体是如何做的呢？举个例子：
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首先双方三次握手，初始化各自的窗口大小，均为 「200」 个字节。
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假如当前发送端给接收端发送 「100」 个字节，那么此时对于发送端而言，「可用窗口减少了 100」 个字节。
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现在这 100 个到达了接收端，被放到「接收端的缓冲队列」中。不过此时由于大量负载的原因，接收端处理不了这么多字节，「只能处理 40」 个字节，剩下的 「60」 个字节被「留在了缓冲队列」中。
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上述是处理能力不够用啦的情况，意思你发送端给我少发点，所以此时接收端的接收窗口应该缩小，具体来说，「缩小 60」 个字节，由 200 个字节变成了 140 字节，因为「缓冲队列留下 60」个字节没被拿走。
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因此，「接收端会在 ACK 的报文首部」带上缩小后的滑动窗口 「140」 字节，发送端「对应地调整」发送窗口的大小为 「140」 个字节。
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此时发送端情况是，「已经发送且确认的部分增加 40」 字节，「右移 40」 个字节，同时「发送窗口缩小为 140」 个字节。
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下图：「滑动窗口」结构（发送端）
还是搞不清，那你写一下画一下就想得明白了 -
TCP拥塞控制
慢启动、 拥塞避免、快速重传和快速恢复、基于丢包的拥塞控制点产生的问题--Google的BBR拥塞控制算法
说说 TCP 的拥塞控制？
- 流量控制发生在发送端跟接收端之间
- 而TCP 的拥塞控制主要处理的问题是，整个网络环境，网络特别差，特别容易丢包的情况。
对于拥塞控制来说，TCP每条连接都需要维护两个核心状态:
- 「拥塞窗口」（Congestion Window，cwnd）:
是指目前自己还能传输的数据量大小;
接收窗口(rwnd)是接收端给的限制
拥塞窗口(cwnd)是发送端的限制 发送窗口大小 = min(rwnd, cwnd)- 「慢启动阈值」（Slow Start Threshold，ssthresh）
涉及到的算法有这几个:
- 「慢启动」
采用一种保守的算法来慢慢地适应整个网路，这种算法叫慢启动;
过程：1.首先，三次握手，双方宣告自己的接收窗口大小
2.双方初始化自己的拥塞窗口(cwnd)大小
3.在开始传输的一段时间，发送端每收到一个 ACK，拥塞窗口大小加 1，也就是说，每经过一个 RTT，拥塞窗口 翻倍。
如果说初始窗口为 10，那么第一轮 10 个报文传完且发送端收到 ACK 后，拥塞窗口 变为 20， 第二轮变为 40，第三轮变为 80，依次类推。直到达到慢启动阈值
- 「拥塞避免」
达阈值后，如何来控制拥塞窗口的大小；原来每收到一个 ACK，拥塞窗口加1，现在到达阈值了，拥塞窗口只能加: 1/拥塞窗口 以前一轮 RTT 下来，cwnd翻倍，现在cwnd只是增加 1 而已。
慢启动和拥塞避免是一起作用的，是一体的。
- 「快速重传和快速恢复」
「快速重传」如果发生了丢包，数据不是按序到达，接收端则重复发送之前的ACK 比如第5个包丢了，即使第6、7个包到达的接收端，接收端也一律返回第4个包的ACK。收到 3 个重复的 ACK ，意识到丢包，马上重传；「选择性重传」ACK 报文SACK属性，通过left edge和right edge已经收到区间「快速恢复」发送端收到三次重复ACK之后，发现丢包觉得现网络已经有些拥塞了，会进入快速恢复阶段 发送端如下改变：拥塞阈值降低为 cwnd 的一半、cwnd 的大小变为拥塞阈值、cwnd 线性增加
结合图片更好理解：
