计算机网络面试02——详述传输层中的TCP和UDP 及java编程实现

前言

紧接着上一篇博客计算机网络面试01——网络体系结构，这篇博客我们详细讲解传输层的两个重要协议 TCP和UDP, 快速上车~

传输层

网络层只把分组发送到目的主机，但是真正通信的并不是主机而是主机中的进程。传输层提供了进程间的逻辑通信，传输层向高层用户屏蔽了下面网络层的核心细节，使应用程序看起来像是在两个传输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。

传输层包括两种协议：

• 传输控制协议 TCP，提供面向连接、可靠的数据传输服务，数据单位为报文段；
• 用户数据报协议 UDP，提供无连接、尽最大努力的数据传输服务，数据单位为用户数据报。TCP 主要提供完整性服务，UDP 主要提供及时性服务。

UDP 和 TCP 的特点

• 用户数据报协议 UDP（User Datagram Protocol）是无连接的，尽最大可能交付，没有拥塞控制，面向报文（对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分，只是添加 UDP 首部），支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

• 传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）是面向连接的，提供可靠交付，有流量控制，拥塞控制，提供全双工通信，面向字节流（把应用层传下来的报文看成字节流，把字节流组织成大小不等的数据块），每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。

UDP 首部格式

TCP首部格式

序号 ：用于对字节流进行编号，例如序号为 301，表示第一个字节的编号为 301，如果携带的数据长度为 100 字节，那么下一个报文段的序号应为 401。

确认号 ：期望收到的下一个报文段的序号。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段，序号为 501，携带的数据长度为 200 字节，因此 B 期望下一个报文段的序号为 701，B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。

数据偏移 ：指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量，实际上指的是首部的长度。

确认 ACK ：当 ACK=1 时确认号字段有效，否则无效。TCP 规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1。

同步 SYN ：在连接建立时用来同步序号。当 SYN=1，ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。若对方同意建立连接，则响应报文中 SYN=1，ACK=1。

终止 FIN ：用来释放一个连接，当 FIN=1 时，表示此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放连接。

窗口 ：窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。之所以要有这个限制，是因为接收方的数据缓存空间是有限的。

TCP的三次握手

假设 A 为客户端，B 为服务器端。

• 首先 B 处于 LISTEN（监听）状态，等待客户的连接请求。
• A 向 B 发送连接请求报文，SYN=1，ACK=0，选择一个初始的序号 x。
• B 收到连接请求报文，如果同意建立连接，则向 A 发送连接确认报文，SYN=1，ACK=1，确认号为 x+1，同时也选择一个初始的序号 y。
• A 收到 B 的连接确认报文后，还要向 B 发出确认，确认号为 y+1，序号为 x+1。
• B 收到 A 的确认后，连接建立。

三次握手的原因：

第三次握手是为了防止失效的连接请求到达服务器，让服务器错误打开连接。

客户端发送的连接请求如果在网络中滞留，那么就会隔很长一段时间才能收到服务器端发回的连接确认。客户端等待一个超时重传时间之后，就会重新请求连接。但是这个滞留的连接请求最后还是会到达服务器，如果不进行三次握手，那么服务器就会打开两个连接。如果有第三次握手，客户端会忽略服务器之后发送的对滞留连接请求的连接确认，不进行第三次握手，因此就不会再次打开连接。

TCP的四次挥手

以下描述不讨论序号和确认号，因为序号和确认号的规则比较简单。并且不讨论 ACK，因为 ACK 在连接建立之后都为 1。

• A 发送连接释放报文，FIN=1。
• B 收到之后发出确认，此时 TCP 属于半关闭状态，B 能向 A 发送数据但是 A 不能向 B 发送数据。
• 当 B 不再需要连接时，发送连接释放报文，FIN=1。
• A 收到后发出确认，进入 TIME-WAIT 状态，等待 2 MSL（最大报文存活时间）后释放连接。
• B 收到 A 的确认后释放连接。

四次挥手的原因

客户端发送了 FIN 连接释放报文之后，服务器收到了这个报文，就进入了 CLOSE-WAIT 状态。这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据，传送完毕之后，服务器会发送 FIN 连接释放报文。

TIME_WAIT

客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入此状态，此时并不是直接进入 CLOSED 状态，还需要等待一个时间计时器设置的时间 2MSL。这么做有两个理由：

• 确保最后一个确认报文能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文，那么就会重新发送连接释放请求报文，A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。
• 等待一段时间是为了让本连接持续时间内所产生的所有报文都从网络中消失，使得下一个新的连接不会出现旧的连接请求报文。

CLOSE_WAIT

CLOSE_WAIT是被动关闭连接是形成的。根据TCP状态机，服务器端收到客户端发送的FIN，则按照TCP实现发送ACK，因此进入CLOSE_WAIT状态。但如果服务器端不执行close()，就不能由CLOSE_WAIT迁移到LAST_ACK，则系统中会存在很多CLOSE_WAIT状态的连接。此时，可能是系统忙于处理读、写操作，而未将已收到FIN的连接，进行close。此时，recv/read已收到FIN的连接socket，会返回0。

常见面试问题

1. 为什么需要 TIME_WAIT 状态？

假设最终的ACK丢失，server将重发FIN，client必须维护TCP状态信息以便可以重发最终的ACK，否则会发送RST，结果server认为发生错误。TCP实现必须可靠地终止连接的两个方向(全双工关闭)，client必须进入 TIME_WAIT 状态，因为client可能面 临重发最终ACK的情形。

2. 为什么 TIME_WAIT 状态需要保持 2MSL 这么长的时间？

如果 TIME_WAIT 状态保持时间不足够长(比如小于2MSL)，第一个连接就正常终止了。第二个拥有相同相关五元组的连接出现，而第一个连接的重复报文到达，干扰了第二个连接。TCP实现必须防止某个连接的重复报文在连接终止后出现，所以让TIME_WAIT状态保持时间足够长(2MSL)，连接相应方向上的TCP报文要么完全响应完毕，要么被 丢弃。建立第二个连接的时候，不会混淆。

3. TCP为什么不是两次连接，而是三次握手？

如果A与B两个进程通信，如果仅是两次连接。可能出现的一种情况就是：A发送完请报文以后，由于网络情况不好，出现了网络拥塞，即B延时很长时间后收到报文，即此时A将此报文认定为失效的报文。B收到报文后，会向A发起连接。此时两次握手完毕，B会认为已经建立了连接可以通信，B会一直等到A发送的连接请求，而A对失效的报文回复自然不会处理。依次会陷入B忙等的僵局，造成资源的浪费。

4. 为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？

因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后，它可以把ACK和SYN（ACK起应答作用，而SYN起同步作用）放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你未必会马上会关闭SOCKET,即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

5.为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？

虽然双方都同意关闭连接了，而且握手的4个报文也都协调和发送完毕，按理可以直接回到CLOSED状态（就好比从SYN_SEND状态到 ESTABLISH状态那样）；但是因为我们必须要假想网络是不可靠的，你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到，因此对方处于 LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文，而重发FIN报文，所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的 ACK报文。

TCP 可靠传输

TCP如何确保数据可靠传输呢？【重要】
答案：
1.三次握手建立可靠连接。
2.将数据截断为合理的长度。应用数据被分割成 TCP 认为最适合发送的数据块（按字节编号，合理分片）
3.超时重发。当 TCP 发出一个段后，它启动一个定时器，如果不能及时收到一个确认就重发
4.对于收到的请求，给出确认响应
5.校验出包有错，丢弃报文段，不给出响应
6.对失序数据进行重新排序，然后才交给应用层
7.对于重复数据 ， 能够丢弃重复数据
8.流量控制。TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP 的接收端 只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。
9.拥塞控制。当网络拥塞时，减少数据的发送。

TCP 使用超时重传来实现可靠传输：如果一个已经发送的报文段在超时时间内没有收到确认，那么就重传这个报文段。

一个报文段从发送再到接收到确认所经过的时间称为往返时间 RTT，加权平均往返时间 RTTs 计算如下：

其中，0 ≤ α ＜ 1，RTTs 随着 α 的增加更容易受到 RTT 的影响。

超时时间 RTO 应该略大于 RTTs，TCP 使用的超时时间计算如下：

其中 RTTd 为偏差的加权平均值。

TCP 滑动窗口

TCP 利用滑动窗口实现流量控制的机制。

滑动窗口（Sliding window）是一种流量控制技术。早期的网络通信中，通信双方不会考虑网络的拥挤情况直接发送数据。由于大家不知道网络拥塞状况，同时发送数据，导致中间节点阻塞掉包，谁也发不了数据，所以就有了滑动窗口机制来解决此问题。

窗口是缓存的一部分，用来暂时存放字节流。发送方和接收方各有一个窗口，接收方通过 TCP 报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小，发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。

发送窗口内的字节都允许被发送，接收窗口内的字节都允许被接收。如果发送窗口左部的字节已经发送并且收到了确认，那么就将发送窗口向右滑动一定距离，直到左部第一个字节不是已发送并且已确认的状态；接收窗口的滑动类似，接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机，就向右滑动接收窗口。

接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认，例如接收窗口已经收到的字节为 {31, 34, 35}，其中 {31} 按序到达，而 {34, 35} 就不是，因此只对字节 31 进行确认。发送方得到一个字节的确认之后，就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。

TCP 中采用滑动窗口来进行传输控制，滑动窗口的大小意味着接收方还有多大的缓冲区可以用于接收数据。发送方可以通过滑动窗口的大小来确定应该发送多少字节的数据。当滑动窗口为 0 时，发送方一般不能再发送数据报，但有两种情况除外，一种情况是可以发送紧急数据，例如，允许用户终止在远端机上的运行进程。另一种情况是发送方可以发送一个 1 字节的数据报来通知接收方重新声明它希望接收的下一字节及发送方的滑动窗口大小。

TCP 流量控制

流量控制是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收。

接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0，则发送方不能发送数据。

TCP 拥塞控制 重要！

如果网络出现拥塞，分组将会丢失，此时发送方会继续重传，从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时，应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像，但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接收，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。

TCP 主要通过四个算法来进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。

发送方需要维护一个叫做**拥塞窗口（cwnd）**的状态变量，注意拥塞窗口与发送方窗口的区别：拥塞窗口只是一个状态变量，实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。

为了便于讨论，做如下假设：

• 接收方有足够大的接收缓存，因此不会发生流量控制；
• 虽然 TCP 的窗口基于字节，但是这里设窗口的大小单位为报文段。
  

1. 慢开始与拥塞避免
发送的最初执行慢开始，令 cwnd = 1，发送方只能发送 1 个报文段；当收到确认后，将 cwnd 加倍，因此之后发送方能够发送的报文段数量为：2、4、8 …

注意到慢开始每个轮次都将 cwnd 加倍，这样会让 cwnd 增长速度非常快，从而使得发送方发送的速度增长速度过快，网络拥塞的可能性也就更高。设置一个慢开始门限 ssthresh，当 cwnd >= ssthresh 时，进入拥塞避免，每个轮次只将 cwnd 加 1。

如果出现了超时，则令 ssthresh = cwnd / 2，然后重新执行慢开始。

2. 快重传与快恢复
在接收方，要求每次接收到报文段都应该对最后一个已收到的有序报文段进行确认。例如已经接收到 M1 和 M2，此时收到 M4，应当发送对 M2 的确认。

在发送方，如果收到三个重复确认，那么可以知道下一个报文段丢失，此时执行快重传，立即重传下一个报文段。例如收到三个 M2，则 M3 丢失，立即重传 M3。

在这种情况下，只是丢失个别报文段，而不是网络拥塞。因此执行快恢复，令 ssthresh = cwnd / 2 ，cwnd = ssthresh，注意到此时直接进入拥塞避免。

慢开始和快恢复的快慢指的是 cwnd 的设定值，而不是 cwnd 的增长速率。慢开始 cwnd 设定为 1，而快恢复 cwnd 设定为 ssthresh。

TCP粘包和拆包

TCP粘包和拆包产生的原因

1.应用程序写入数据的字节大小大于套接字发送缓冲区的大小
2.进行MSS大小的TCP分段。MSS是最大报文段长度的缩写。MSS是TCP报文段中的数据字段的最大长度。数据字段加上TCP首部才等于整个的TCP报文段。所以MSS并不是TCP报文段的最大长度，而是：MSS=TCP报文段长度-TCP首部长度
3.以太网的payload大于MTU进行IP分片。MTU指：一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小。如果IP层有一个数据包要传，而且数据的长度比链路层的MTU大，那么IP层就会进行分片，把数据包分成托干片，让每一片都不超过MTU。注意，IP分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。

TCP粘包和拆包的解决策略

1.消息定长。例如100字节。
2.在包尾部增加回车或者空格符等特殊字符进行分割，典型的如FTP协议
3.将消息分为消息头和消息尾。
4.其它复杂的协议，如RTMP协议等。

OK，讲了这么多面试相关的理论知识。如果你是刚学的计算机网络的初学者，相信你对这些知识可能不是那么理解；如果你是开发编程的老手，相信这个对你来说 也是一次不错的知识回炉。

接下来，写一点实际开关相关的，java socket编程实现TCP和UDP协议。

java Socket编程

根据编程的难易，我们先讲UDP编程 然后再讲TCP编程。

UDP网络编程

1.DatagramPacket
前面，我们介绍过UDP是一种面向无连接的协议，因此，在通信时发送端和接收端不用建立连接。UDP通信的过程就像是货运公司在两个码头间发送货物一样。在码头发送和接收货物时都需要使用集装箱来装载货物，UDP通信也是一样，发送和接收的数据也需要使用“集装箱”进行打包，为此JDK中提供了一个DatagramPacket类，该类的实例对象就相当于一个集装箱，用于封装UDP通信中发送或者接收的数据。

DatagramPacket的构造方法有好几个，它主要是jdk1.2 到jdk1.4 不断更新优化，这里简要提炼出来源码

    public DatagramPacket(byte buf[], int offset, int length) {
        setData(buf, offset, length);
        this.address = null;
        this.port = -1;
    }    
    public DatagramPacket(byte buf[], int length) {
        this (buf, 0, length);
    }
	public DatagramPacket(byte buf[], int offset, int length,
                          InetAddress address, int port) {
        setData(buf, offset, length);
        setAddress(address);
        setPort(port);
    }
    public DatagramPacket(byte buf[], int offset, int length, SocketAddress address) {
        setData(buf, offset, length);
        setSocketAddress(address);
    }
     public DatagramPacket(byte buf[], int length,
                          InetAddress address, int port) {
        this(buf, 0, length, address, port);
    }
     public DatagramPacket(byte buf[], int length, SocketAddress address) {
        this(buf, 0, length, address);
    }

下图为DatagramPacket类中的常用方法详细介绍

2.DatagramSocket
DatagramPacket数据包的作用就如同是“集装箱”，可以将发送端或者接收端的数据封装起来。然而运输货物只有“集装箱”是不够的，还需要有码头。在程序中需要实现通信只有DatagramPacket数据包也同样不行，为此JDK中提供的一个DatagramSocket类。DatagramSocket类的作用就类似于码头，使用这个类的实例对象就可以发送和接收DatagramPacket数据包，发送数据的过程如下图所示。

DatagramSocket的构造方法：

   public DatagramSocket() throws SocketException {
        this(new InetSocketAddress(0));
    }
    protected DatagramSocket(DatagramSocketImpl impl) {
        if (impl == null)
            throw new NullPointerException();
        this.impl = impl;
        checkOldImpl();
    }
    public DatagramSocket(SocketAddress bindaddr) throws SocketException {
        // create a datagram socket.
        createImpl();
        if (bindaddr != null) {
            try {
                bind(bindaddr);
            } finally {
                if (!isBound())
                    close();
            }
        }
    }
    public DatagramSocket(int port) throws SocketException {
        this(port, null);
    }
    public DatagramSocket(int port, InetAddress laddr) throws SocketException {
        this(new InetSocketAddress(laddr, port));
    }

下面是DatagramSocket类中的常用方法：

public void send(DatagramPacket p) throws IOException  {
.....
}
public synchronized void receive(DatagramPacket p) throws IOException {
........
}

3.UDP网络编程
UDP是无连接的，不可靠的协议，没有客户端和服务端之分。但是我们为了区分 ，在编程时还是做一些区分：

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            DatagramSocket server = new DatagramSocket(5060);
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);
            server.receive(packet);
            System.out.println(packet.getAddress().getHostName() + "(" + packet.getPort() + "):" + new String(packet.getData()));
            packet.setData("Hello Client".getBytes());
            packet.setPort(5070);
            packet.setAddress(InetAddress.getLocalHost());
            server.send(packet);
            server.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args){
        try {
            DatagramSocket client = new DatagramSocket(5070);
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
            packet.setPort(5060);
            packet.setAddress(InetAddress.getLocalHost());
            packet.setData("Hello Server".getBytes());
            client.send(packet);
            client.receive(packet);
            System.out.println(packet.getAddress().getHostName() + "(" + packet.getPort() + "):" + new String(packet.getData()));
            client.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

TCP网络编程

TCP通信同UDP通信一样，都能实现两台计算机之间的通信，通信的两端都需要创建socket对象。

区别在于，UDP中只有发送端和接收端，不区分客户端与服务器端，计算机之间可以任意地发送数据。

而TCP通信是严格区分客户端与服务器端的，在通信时，必须先由客户端去连接服务器端才能实现通信，服务器端不可以主动连接客户端，并且服务器端程序需要事先启动，等待客户端的连接。

在JDK中提供了两个类用于实现TCP程序，一个是ServerSocket类，用于表示服务器端，一个是Socket类，用于表示客户端。

以下步骤在两台计算机之间使用套接字建立TCP连接时会出现：

• 服务器实例化一个 ServerSocket 对象，表示通过服务器上的端口通信。
• 服务器调用 ServerSocket 类的 accept() 方法，该方法将一直等待，直到客户端连接到服务器上给定的端口。
• 服务器正在等待时，一个客户端实例化一个 Socket 对象，指定服务器名称和端口号来请求连接。
• Socket 类的构造函数试图将客户端连接到指定的服务器和端口号。如果通信被建立，则在客户端创建一个 Socket 对象能够与服务器进行通信。
• 在服务器端，accept() 方法返回服务器上一个新的 socket 引用，该 socket 连接到客户端的 socket。

连接建立后，通过使用 I/O 流在进行通信，每一个socket都有一个输出流和一个输入流，客户端的输出流连接到服务器端的输入流，而客户端的输入流连接到服务器端的输出流。

1.TCP Server端
1,创建客户端的Socket对象

2,获取Socket的输出流对象

3,写数据给服务器

4,获取Socket的输入流对象

5，使用输入流，读反馈信息

6,关闭流资源

代码如下：

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) {
        ServerSocket socket = null;
        OutputStream outputStream = null;
        try {
            //建立基站
            socket = new ServerSocket(8899);
            //开始开启接收模式,接到后返回客户端的socket对象
            Socket client = socket.accept();
            //获取向客户端发送消息的对象流
            outputStream = client.getOutputStream();
            //向客户端写数据
            outputStream.write("你连上了服务器...".getBytes());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                outputStream.close();
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

2. TCP Client端
1，创建服务器端ServerSocket对象，指定服务器端端口号

2，开启服务器，等待着客户端Socket对象的连接，如有客户端连接，返回客户端的Socket对象

3,通过客户端的Socket对象，获取客户端的输入流，为了实现获取客户端发来的数据

4,通过客户端的输入流，获取流中的数据

5,通过客户端的Socket对象，获取客户端的输出流，为了实现给客户端反馈信息

6,通过客户端的输出流，写数据到流中

7,关闭流资源

代码如下：

package com.xujingyang.TCP;

import java.io.InputStream;
import java.net.Socket;

public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) {
        Socket socket = null;
        InputStream inputStream = null;
        try {
            //建立基站获取链接地址及端口号
            socket = new Socket("localhost", 8899);
            //获取服务器发过来的字节流
            inputStream = socket.getInputStream();
            
            //开始解析字节流
            byte[] b = new byte[1024];
            String str = "";
            int length = -1;
            while ((length = inputStream.read(b, 0, b.length)) != -1) {
                str += new String(b, 0, length);
            }
            System.out.println(str);
            /*
             * int length = inputStream.read(b);
            System.out.println(new String(b, 0, length));
             */

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //最后关闭
            try {
                inputStream.close();
                socket.close();
            } catch (Exception e2) {
                e2.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

参考资料：
1.计算机网络自顶向下方法
2.CS-Notes 计算机网络
3.Java之网络编程UDP和TCP