注：文章非原创，来自极客时间 《趣谈网络协议》个人笔记

3.1 UDP协议

传输层有两个比较重要的协议，分别是TCP和UDP，其中TCP是面向连接的，UDP是面向无连接的，TCP互通会建立连接进行三次握手，而UDP并不会，建立连接是为了在客户端和服务端维护连接，维护双方的交互状态。

TCP提供了可靠交付，无差错、不丢失、不重复并且按照顺序到达。而UDO继承了IP包的特点，不保证不丢失，不保证按照顺序到达。

TCP是面向字节流的，发送的时候是一个流，没头没尾，UDP是基于数据报的，一个个发一个个收

TCP还拥有拥塞控制，根据网络环境调整窗口大小，UDP则没有

TCP是一个有状态服务，会记录发送没有接收没有，UDP则是无状态服务

UDP的包的格式会在IP头中显示，IP头上有个8位的协议会存放格式。其包头格式如下

包结构.png

UDP的三大特点第一是沟通简单，包结构非常简单，第二是容易发送和接收，第三是不会有拥塞控制。

UDP的使用场景基本为需要资源少，网络情况好，对包丢失不敏感的应用，不需要一对一沟通，建立连接，而是可以广播的应用。第三是需要处理快，时延低，可以容忍少数丢包的。

基于UDP发展的QUIC 快速UDP互联网连接是另外一种改进的通信协议，在应用层上，快速连接建立，减少重传时延，自适应拥塞控制

流媒体技术比如直播使用RTMP，是基于TCP的，还有网络游戏等，服务器能够维持的TCP连接是有限的，UDP是没有连接的。物联网技术、移动通信领域等。

3.2 TCP协议

tcp包.png

TCP在不可靠的网络上保证可靠传输主要是不断的重传各种算法等。IP层是不会管丢不丢包的。

其中TCP的状态位有如下几个状态

SYN ：发起一个连接

ACK：是回复

RST：是重新连接

FIN：是结束连接

TCP总结可以有如下几个特点

顺序问题，稳重不乱，

丢包问题，承诺靠谱，

连接维护，有始有终，

流量控制，把握分寸

拥塞控制，知道进退

三次握手.png

四次挥手.png

TCP状态机.png

TCP是如何保证可靠传出的呢？客户端发送的每一个包服务器都应该有个回复，如果服务器超过一定时间没有回复，客户端则重新发送包。TCP为了保证包的顺序性，每个包都有一个ID，在建立连接的时候商定ID是什么，然后按照ID一个个发，服务器也会一个个应答收到的包，这种模式叫做累计确认或者累计应答

TCP会将排队的包分为以下四个部分

滑动窗口控制.png

对于接收端来说其窗口如下

接收端窗口.png

其中窗口的大小等于 MaxRcvBuffer 减去接收已确认的。

当中间的某个数据包丢了，会进行超时重试，超时时间应该大于往返时间RTT。可以通过TCP通过采样RTT时间然后加权平均算出一个值，同时值自适应变化，叫做自适应重传算法。

注意TCP的再次重传的时候，超时时间会加倍。

流量控制方面，在对包的确认中，同时会携带一个窗口的大小，通过控制窗口rwnd移动和大小来控制数据的发送速率。避免把接收方的缓存塞满。

拥塞控制方面也是通过窗口的大小控制的，通过窗口cwnd，避免把网络塞满，避免包丢失和超时重传，一条TCP连接开始，cwnd设置为一个报文段，一次发送一个，每次确认加一。每次翻倍，指数增长

拥塞控制.png

3.3 实际中的应用

使用基于TCP和UDP的Socket编程，Socket进行的是端到端的通信，在网络层Socket需要指定是IPv4还是IPv6分别设置AF_INET和AF_INET6还要指定是TCP还是UDP。

基于TCP的Socket编程，使用bind函数赋予IP和端口号，然后使用listen函数进行监听，系统内核中为每个Socket维护两个队列，分别是已经建立了连接的队列和还未建立的，使用connect函数发起连接，指定IP和端口号，发起握手内核会分配一个临时的端口，握手成功，服务端的accept返回另一个Socket，也就是监听的Socket和传输数据的Socket是两个，其基本流程如下

tcp客户端服务端交互.png

TCP就是Socket的一个文件流，Socket在Linux中就是文件流形式存在的，有发送队列和接收队列

image-20201112125246602.png

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开发服务端需要注意最大连接数，最大TCP连接数 = 客户端IP数 * 客户端端口数，针对IPv4 为2的32此房，端口为2的16次方，也就是最大连接数是2的48次方。

提高服务器连接能力，可以使用多进程方式或者多线程方式，使用线程池，利用服务器CPU多核能力，或者一个线程维护多个Socket使用Io多路复用