详解TCP/UDP

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：发送端和接收端建立一个连接通道，为了维护连接的可靠性，通过一定的数据结构来维护双方的交互状态。
可靠性：传输过程中无重复，无丢失，无错误。无论网络链路出现了怎样变化，TCP都可以保证一个报文一定到达接收端。
字节流：发送的时候发的是一个流，没头没尾。所以无论消息有多大都可以进行传输，并且消息是[有序的]，通过序列号保证报文的有序性和正确性。

TCP首部结构

TCP数据封装在一个IP数据报中：

TCP报文数据格式

主要组成部分：

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，随机数的生成规则是：每4秒加1的计数器加上hash(源端口+源ip+目的ip+目的端口)，保证序列号在4.55小时内是唯一的，通过syn包传递过接收端主机，每发送一次数据就[累加]一次该[数据字节数]的大小。主要用来保证网络包的有序性。
应答序列号：指下一次[期望]收到的数据的序列号，一般指应答序列号之前的数据已经确定收到了。主要作用是确保网络包的可靠传输。
控制位：

1.SYC：该位为1时，表示希望建立连接，并且进行序列号初始化设置。

2.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 。

3.RST：该位为1时，表示TCP连接中出现异常必须强制断开连接。

4.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位置为1的TCP段。

什么是UDP协议？

是面向无连接的传输层协议，UDP 为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的 IP 数据包的方法。

特点：

1.UDP是面向无连接的，

2.UDP发送网络包之后，不保证消息不丢失，不保证按顺序达到。

3.UDP是无状态协议，协议头只包含源和目的端口，不会使用特定的数据结构保存客户端和服务端的交互状态。

4.UDP不会进行拥塞控制，进行网络包发送时，不会去根据网络通道的拥塞情况，进行拥塞控制。

udp报文头部格式

UDP头部固定为64个字节
目标和源端口：标识报文需要发送给哪个进程
包长度：标识了头部和数据的总长度
校验和：校验报文的有效性，为保证可靠性而设计

TCP建立连接

TCP是面向连接的协议，所以使用TCP之前必须要先建立连接，而建立连接是通过三次握手来进行。客户端和服务端总共发送3个包以确认连接

（1）第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。

（2）第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。

（3）第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

简单来说，就是

1、建立连接时，客户端发送SYN包（SYN=i）到服务器，并进入到SYN-SEND状态，等待服务器确认

2、服务器收到SYN包，必须确认客户的SYN（ack=i+1）,同时自己也发送一个SYN包（SYN=k）,即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN-RECV状态

3、客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认报ACK（ack=k+1）,此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据。

TCP为什么采用了三次握手，而不是二次握手呢？

为了实现可靠数据传输， TCP 协议的通信双方，都必须维护一个序列号，以标识发送出去的数据包中，哪些是已经被对方收到的。三次握手的过程即是通信双方相互告知序列号起始值，并确认对方已经收到了序列号起始值的必经步骤
如果只是两次握手，至多只有连接发起方的起始序列号能被确认，另一方选择的序列号则得不到确认。

1.两次握手：无法防止历史连接的建立，会造成双方资源的浪费，也无法可靠的同步双方的序列号

2.同步双方的初始序列号：客户端和服务端的请求都必须是一来一回，这样才能保证双方的初始序列号是可靠的同步

TCP断开连接：

所谓四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发，整个流程如下图所示：

由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭，上图描述的即是如此。

（1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。

（2）第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。

（3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。

（4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？
这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

SYN攻击：

我们都知道 TCP 连接建立是需要三次握手，假设攻击者短时间伪造不同 IP 地址的SYN 报文，服务端每接收到一个 SYN 报文，就进入SYN_RCVD 状态，但服务端发送出去的 ACK + SYN 报文，无法得到未知 IP 主机的 ACK 应答，久而久之就会占满服务端的 SYN 接收队列（未连接队列），使得服务器不能为正常用户服务。