UNPv13：#第2章#传输层：TCP、UDP和SCTP

概述

虽然协议族被称为“TCP/IP”，但除了TCP和IP这两个主要协议外，还有许多其他成员。所有网际协议由一个或多个称为请求评注（Request for Comments，RFC）的文档定义，这些RFC就是它们的正式规范。

用户数据报协议（UDP）

UDP不保证UDP数据报会到达其最终目的地，不保证各个数据报的先后顺序跨网络后保持不变，也不保证每个数据报只到达一次。UDP是一个简单、不可靠、无连接的协议，而TCP是一个复杂、可靠、面向连接的协议。

传输控制协议（TCP）

TCP提供确认、序列号、RTT估算、超时、流量控制和重传等机制。TCP使用三路握手建立连接，使用四分组交换序列终止连接。当一个TCP连接被建立时，它从CLOSED状态转换到ESTABLISHED状态；当该连接被终止时，它又回到CLOSED状态。一个TCP连接可处于11种状态之一，其状态转换图给出了从一种状态转换到另一种状态的规则。理解状态转换图是使用netstat命令诊断网络问题的基础，也是理解当某个应用进程调用诸如connect、accept和close等函数时所发生过程的关键。TCP的TIME_WAIT状态一直是一个造成网络编程人员混淆的来源。存在这一状态是为了实现TCP的全双工连接终止（即处理最终那个ACK丢失的情形），并允许老的重复分节从网络中消逝。

·三路握手

ACK中的确认号是发送这个ACK的一端所期待的下一个序列号。因为SYN占据一个字节的序列号空间，所以每一个SYN的ACK中的确认号就是该SYN的初始序列号加1。类似地，每一个FIN（表示结束）的ACK中的确认号为该FIN的序列号加1。

·TCP选项

１．MSS选项。发送SYN的TCP一端使用本选项通告对端它的最大分节大小（maximum segment size）即MSS，也就是它在本连接的每个TCP分节中愿意接受的最大数据量。发送端TCP使用接收端的MSS值作为所发送分节的最大大小。使用TCP_MAXSEG套接字选项提取和设置这个TCP选项。
２．窗口规模选项。TCP连接任何一端能够通告对端的最大窗口大小是65535，因为在TCP首部中相应的字段占16位。然而当今因特网上业已普及的高速网络连接或长延迟路径（卫星链路）要求有更大的窗口以获得尽可能大的吞吐量。这个新选项指定TCP首部中的通告窗口必须扩大（即左移）的位数（0～14），因此所提供的最大窗口接近1 GB（65535×214）。在一个TCP连接上使用窗口规模的前提是它的两个端系统必须都支持这个选项。使用SO_RCVBUF套接字选项影响这个TCP选项。
３．时间戳选项。这个选项对于高速网络连接是必要的，它可以防止由失而复现的分组可能造成的数据损坏。它是一个较新的选项，也以类似于窗口规模选项的方式协商处理。作为网络编程人员，我们无需考虑这个选项。

·ＴＣＰ连接终止

FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。类似SYN，一个FIN也占据1个字节的序列号空间。因此，每个FIN的ACK确认号就是这个FIN的序列号加1。在步骤2与步骤3之间，从执行被动关闭一端到执行主动关闭一端流动数据是可能的。这称为半关闭（half-close）。

·TCP状态转换图

·观察分组

·TIME_WAIT状态

TIME_WAIT状态有两个存在的理由：
（1）可靠地实现TCP全双工连接的终止；第一个理由可以通过查看上图并假设最终的ACK丢失了来解释。服务器将重新发送它的最终那个FIN，因此客户必须维护状态信息，以允许它重新发送最终那个ACK。要是客户不维护状态信息，它将响应以一个RST（另外一种类型的TCP分节），该分节将被服务器解释成一个错误。如果TCP打算执行所有必要的工作以彻底终止某个连接上两个方向的数据流（即全双工关闭），那么它必须正确处理连接终止序列4个分节中任何一个分节丢失的情况。本例子也说明了为什么执行主动关闭的那一端是处于TIME_WAIT状态的那一端：因为可能不得不重传最终那个ACK的就是那一端。
（2）允许老的重复分节在网络中消逝。为理解存在TIME_WAIT状态的第二个理由，我们假设在12.106.32.254的1500端口和206.168.112.219的21端口之间有一个TCP连接。我们关闭这个连接，过一段时间后在相同的IP地址和端口之间建立另一个连接。后一个连接称为前一个连接的化身（incarnation），因为它们的IP地址和端口号都相同。TCP必须防止来自某个连接的老的重复分组在该连接已终止后再现，从而被误解成属于同一连接的某个新的化身。为做到这一点，TCP将不给处于TIME_WAIT状态的连接发起新的化身。既然TIME_WAIT状态的持续时间是MSL的2倍，这就足以让某个方向上的分组最多存活MSL秒即被丢弃，另一个方向上的应答最多存活MSL秒也被丢弃。通过实施这个规则，我们就能保证每成功建立一个TCP连接时，来自该连接先前化身的老的重复分组都已在网络中消逝了。