TCP和UDP

1. TCP

TCP 是可靠传输，使用流量控制和拥塞控制，仅支持一对一，首部最小 20 字节最大 60 字节。

1.1 连接的建立与断开

1.1.1 三次握手建立连接

• 第一次握手：C 向 S 发送一个连接请求，包括一个 SYN = 1, seq = 随机数 i，C 进入 SYN_SENT 状态。
• 第二次握手：S 收到请求后，回应一个：SYN = 1, ACK = 1, ack = i + 1, seq = 随机数 j，S 进入 SYN_RCVD 状态。
• 第三次握手：C 收到回应后，发送一个 ACK = 1, ack = j + 1，S 接收并确认后，双方建立连接，进入 ESTABLISHED 状态。

1.1.2 四次挥手断开连接

• 第一次挥手：C 发送一个 FIN = 随机数 k，C 进入 FIN_WAIT_1 状态，此时 C 已停止发送数据，但 S 还在监听，还能发送数据。
• 第二次挥手：S 回应一个 ack = k + 1，S 进入 CLOSE_WAIT 状态，C 确认后进入 FIN_WAIT_2 状态，此时服务器已经获取到 C 即将断开的信号，但 S 仍在活跃状态。
• 第三次挥手：S 发送一个 FIN = 随机数 l，S 进入 LAST_ACK 状态，S 停止监听，进入等待断开状态，此时 C 和 S 均已停止数据交互。
• 第四次挥手：C 确认了 S 的 FIN 后，C 进入 TIME_WAIT 状态，再发送一个 ACK = 1, ack = l + 1，S 进入 CLOSED 状态，挥手完成，连接断开。

1.2 连接的控制

1.2.1 流量控制

接收端通知发送端自己可接受的数据大小，叫窗口大小，TCP 首部有个 16 位的窗口大小字段，16 位最大表示 65535，但在 TCP 的 40 字节首部选项中还有个窗口扩大因子 M，实际的窗口大小等于窗口大小左移 M 位。

接收端通过窗口大小告知发送端可发送的数据大小，通常可将缓冲区的大小设置为窗口大小，当缓冲区快满了，接收端就逐渐减小窗口大小，直到为 0，则发送端不再发送数据，但会定期发送一个窗口探测数据段，以保持获取接收端的窗口大小。如果接收端回复探测数据段的数据帧丢失，就会导致连接中断，所以发送端如果超时未接收到回复，就会重新发送探测数据段。

1.2.2 拥塞控制

除了考虑到流量控制的情况，还需要考虑到：接收方的窗口大小是在 ACK 的时候才回传的，可以理解为，发送方总是慢半拍才知道接收方的窗口大小，因此不能每次都贸然发送最大的数据后再获取窗口大小来调整。为此 TCP 引入慢启动机制，核心思想就是先从少量数据开始发送，如果网络通畅则逐步增大，否则就逐步减少。

发送方维护一个拥塞窗口 cwnd，cwnd 初始为较小的一个数，通常为最大分段大小（Maximum segment size，MSS）的两倍，也即“慢启动”，但如果收到了 ACK，则 cwnd 增大一倍（指数增长），因此慢启动只是启动初值低，而增长速度很快。如果 cwnd 增大到了慢启动阈值（Slow Start Threshold，SSThresh），则再次收到 ACK 时不再以指数增长，而是以 cwnd = cwnd + (1 / cwnd)，每次增长自身的倒数，且每经过一次数据包往返时间（Round Trip Time，RTT），就自增 1：cwnd = cwnd++，变成线性增长，以避免出现拥塞。

如果发生超时重传（Retransmission TimeOut，RTO），则认为出现了拥塞，则将ssthresh设置为当前cwnd的一半：ssthresh = cwnd / 2，并重置cwnd变回初始值。

因此，当 cwnd < ssthresh 时，可以认为需要慢启动，进入快速增长，当 cwnd > ssthresh 时，可以认为需要避免拥塞，进入线性增长，当 cwnd ＝ ssthresh 时，可以使用慢启动算法，也可以使用拥塞算法。

接收方在接收数据后，会回复一个确认帧，确认帧包括了期待下一次接收的数据的序列号，发送方在接收到该确认帧后，会将下一个数据帧的序列号设置为接收方期待的序列号。而如果接收方接收到的数据中的序列号，不是自己所期待的，说明自己所期待的数据发生了丢失导致未能接收到，则需要根据所设置的重复阈值 N（例如3），连续 N 次向发送方发送 ACK，且 ACK 中包含了已丢失的那份自己所期待的数据的序列号，发送方在连续 N 次接收到了这样的 ACK 后，则认为发生了数据丢失，而不是拥塞，则进入快速重传阶段，立即发送中间缺失的数据（也即发送方没有收到对应 ACK 导致 RTT 的数据），同时执行快速恢复算法，将 ssthresh 调整为当前 cwnd 的一半，由于调整后 cwnd > ssthresh，因此执行拥塞避免算法。

1.3 TCP/IP四层模型

OSI 模型对应 TCP/IP 四层模型（从上到下）：

• 应用层、表示层、会话层 - 应用层
• 传输层 - 传输层
• 网络层 - 网络互联层
• 数据链路层、物理层 - 主机到网络层

1.3.1 网络层和传输层的区别

网络层面向的是设备与设备之间的通信，而传输层面向的是设备与设备上运行的进程之间的通信。例如，IP 属于网络（互联）层，它负责定位一个网络中的各个设备，设备和设备之间的数据交互不一定使用 TCP 或 UDP，但需要知道 IP 地址。而 TCP、UDP 属于传输层，负责将数据从某个端口（也可以映射成一个进程）到另一端口（另一个进程），以区分不同的进程，实现不同的应用服务之间的数据传输服务。

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UDP

UDP 是不可靠传输，没有流量控制和拥塞控制，UDP 支持单播（一对一）、多播（一对多和多对一）、广播（多对多），首部开销小（8 字节），适用于实时应用（IP 电话、视频会议、直播等）。

远程视频流传输，可以分别利用 UDP 的可靠传输和不可靠传输。

视频中的帧有关键帧和普通帧，关键帧是可以直接解码出帧图像的帧，它包含了一个帧所有的信息，而普通帧，是根据其依附的关键帧，只记录了与之相差的部分，不能直接解码出帧图像，这样做的好处，是大大缩小了视频的体积，因为每个关键帧之间的普通帧，只需要记录自己和所依附的关键帧之间的差别，然后在播放的时候只需要改变显示有差别的地方即可。因此，远程视频传输，可以在传输关键帧的时候，使用可靠传输，确保关键帧传输到位，而普通帧使用不可靠传输，这样即使普通帧丢包，也不会影响整体显示效果。

UDP 如果想要实现可靠传输，可以在数据段手动添加 ACK 和 SEQ 机制，自行判断 ACK 和 SEQ 是否符合，并配合发送和接收缓冲区以及维护一个超时重传表来实现。

已有的可靠 UDP 有：RUDP（实现了 TCP 中的流量控制）、RTP（）等。