Linux相关概念和易错知识点（41）（UDP、TCP报头结构）

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1.UDP

（1）传输层

UDP处在传输层（应用层之下，网络层之上），负责将数据从发送端传输到接收端。 其中我们已经知道：IP标识主机，端口号标识主机内的进程。因此，源IP、目的IP、源端口号、目的端口号、使用的运输层协议这五个元素（五元组）可以标识一个通信。

其中0 - 1023为知名端口号，和常见服务强绑定，如HTTP等。一个进程可以bind多个端口号，从多个端口接收数据，但一个端口号不能被多个进程bind，每个端口接收的数据只能上交给一个进程。

HTTP协议我们已经认识了，传输层协议本质也是一种约定，其底层实现是C语言。不仅如此，网络层、数据链路层都有自己的协议，OS内核各个模块的通信也有自己的协议。其中OS内核通信实现可以直接用二进制传输数据，无需做明显的序列化，并且效率高、兼容性好。

（2）UDP报头

和应用层一样，添加报头在逻辑上是在要传输的数据前后包装一些约定的对象，在代码上就是定义相应协议的结构体对象，调用功能函数把我们的数据和要添加的数据合并起来，这就是封装。

解析报头时，UDP直接读取收到的报文前8个字节，剩下就是有效载荷。报文的前8个字节包括：16位源端口号和16位目的端口号，16位当前UDP报文有效载荷长度（自描述字段），16位校验和。
由于记录了16位当前UDP报文有效载荷长度和16位校验和，因此报文会被完整合法地交给上层。如果出现了UDP检验和失败，那这个报文会被直接丢弃，而无需向接收方响应任何数据。

在这里我们要特别说明一下UDP是不可靠传输，不可靠在哪？16位当前UDP报文有效载荷长度，16位校验和都无法保证可靠性吗？UDP的不可靠之处在于如果数据不完整的话会直接丢弃，上层却不会知道这一切。而TCP就有自己的重传机制，会保证接收方一定会收到相同字节数的数据。

现在我们再次强调UDP三个特性的含义，以免混淆：
无连接意味着无需listen和connect；不可靠意味着没有确认和重传机制等；面向数据报意味着接收方必须 像收快递那样一次性必须全部把一个数据包传入应用层（不会出现粘包问题，只能一块一块地IO），而相对而言面向字节流就是以bit为单位的（这也是TCP需要序列化的根本原因）。

我们要消除一个误解，就是可靠和不可靠其实并不是优缺点，而是特性。TCP要做很多处理才能保证可靠传输，不可靠传输往往意味着协议会更简单。UDP在直播、视频领域很常用，因为一些丢包根本不影响，而像支付交易等才更需要TCP。

（3）缓冲区和sk_buff

①缓冲区

UDP封装在代码上就是创建相应的结构体对象，在创建时会同时申请一块缓冲区，就是UDP协议的缓冲区。UDP有接收缓冲区，但这个缓冲区接收的顺序不一定和对方发送的顺序一致，可能报文2比报文1先到，这也是不可靠的一种。相比而言TCP就没有这个情况，它会有序号保证数据的顺序性。当UDP接收缓冲区被写满后，再收到的数据会直接丢。

UDP没有也不需要发送缓冲区，UDP在收到应用层的数据后，会接添加报头直接往下传，而不需要做处理，但这不影响其全双工的特性。

②sk_buff

sk_buff是负责管理报文的结构体，它属于整个网络协议栈，即从链路层到应用层，始终是同一个sk_buff在管理这个报文。从面向对象的思想来看，我们可以认为对报文的管理就是对sk_buff的管理，这在后面理解缓冲区是sk_buff链表这件事上至关重要。

struct sk_buff 
{// 协议层头部指针__u16 transport_header;  // 传输层头部位置__u16 network_header;    // 网络层头部位置__u16 mac_header;        // 链路层头部位置//其余部分省略
};

当一个报文的sk_buff被创建后会由指针管理数据。通过修改指针指向就可以填充UDP报头字段，也就完成了UDP报头封装，其它协议也是这样。

单个UDP报文包含首部能传输的最大数据约为64k字节（MTU限制）。因此要传输更多数据，就要拆分报文，多次发送，多个报文由sk_buff组成的链表管理。UDP的接收缓冲区就是报文的sk_buff链表组成的。

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2.TCP

（1）发送和接受缓冲区

TCP也有自己的缓冲区，且同时有发送接受缓冲区。当要发送时，数据会直接拷贝进缓冲区；当读取时，也会直接从接受缓冲区拷贝数据。而缓冲区就由OS自主决定什么时候发，什么时候收，和上层解耦。

我们前面已经提过，管理报文就是管理sk_buff，缓冲区是本应是char数组，但这样并不好处理。所以考虑以面向对象的思想来处理，TCP的发送/接受缓冲区和UDP的接受缓冲区都是sk_buff链表，从缓冲区读数据、写数据本质就是对sk_buff进行增删查改。

（2）报头结构

TCP的报头结构相对比较复杂，但就像在UDP说的，TCP之所以复杂是因为它需要实现一些特性，所以接下来我会根据TCP要实现的独特性质分类讲解报头结构，具体性质后续会拓展。

①按序到达

前面说过UDP不保证接收的顺序，而TCP需要。因此TCP需要给自己的每一个报文添加一个字段——32位序号。这样接收方就知道收到的数据属于哪个序号了。进一步，接收方也就知道现在还有哪些序号的数据没有收到了，这也能进一步实现可靠传输了。

需要注意的是，TCP中要传输的报文的每一个字节都有自己的序号，多个字节组成一个TCP报文，报头的序号就是起始报文对应的序号。

在这里又引入了一个问题：既然一个TCP报文有多个字节，而报头只记录第一个字节的序号，那么接收方怎么知道应该读多少字节呢？报文边界在哪呢？
首先我们要清楚，发送方从应用层接收数据，再创建对象封装，是肯定知道边界的，每个TCP数据段往下传的时候网络层也能分清，也就是说我们的疑惑来自于接收方。对于接收方来说，网络层解包后就会把整个数据交给TCP，这个时候TCP难道还不知道边界吗？网络层 -> 传输层交付的过程就已经有边界信息的交付了。

TCP报头中没有记录报文长度的字段，TCP可以借助其它层确认边界

但是这样还不够，接收方能够确认边界了，报文的边界呢？对于UDP来说，它的报头是固定长度8字节，而TCP有选项部分，可以多添加一些选项，所以TCP的报文长度相对更灵活，那么报文的起始位置就需要单独存储了，这就是——4位数据偏移，且偏移以4字节为单位。最小值5对应报文数据从20开始，报头占0 - 19共20字节；最大值15对应60字节的报头（TCP允许最多40字节的选项）

②.可靠传输

下面的数据就是多个TCP报文，报头序号分别是1，1001，2001，3001，后续的例子都将建立在它之上。

有了序号之后就有机会实现可靠传输，具体过程是怎样的？
当发送序号为1的报文时，1 - 1000序号（共1000字节）的数据被发送和接收，接收报文之后接收方会发出一个回应，回应包含一个数字1001，告诉发送方1001之前的数据都收到了，这时发送方再从1001开始发送第二个报文，再回应，以此类推。这个回应中包含的确认的数字就是——32位确认序号。 如果此时报文2丢了，回应的就还是1001，那么这个时候发送方就会重传第2个报文。 但这样效率并不高，因此发送方会一直发送报文，而接收方收到一个报文就回应，回应中就能体现出丢没丢包，这样发送和回应就并行了。

有了确认序号之后，就能实现捎带应答机制了。从刚才的情况出发，发送方给接收方发报文，接收方通过确认序号回应，但如果回应时接收方发现自己想要给发送方再带一些消息，怎么办呢？ 这个时候接收方就可以把要传的数据放在报文中，同时填充序号。这样发送方得到回应后，从序号处可以得到接收方想要给自己的数据，从确认序号那里也能得到确认信息，一举两得，这就是捎带应答机制。

捎带应答是一个可有可无的功能，比如接收方收到一个报文，它怎么知道这是一个单纯的应答，还是说有捎带应答？用序号和确认序号区分确实是一种方法，但是，TCP中这种可有可无的行为可不止捎带应答，还有一些后续会提及，所以 TCP报头需要集中管理，控制TCP连接的状态和数据传输行为，即6位控制位。

我们可以看到，当ACK == 1时，表示确认序号有效，这个时候接收方才会去解读确认序号。通过这张图可看出，控制位在TCP中非常重要，标识不同字段的有效性，算是给TCP报头进行一种分类了。

③流量控制

和UDP一样，TCP发送和接收缓冲区都是有大小的。UDP接收缓冲区满了就直接丢弃多的数据，TCP也是。但TCP要保证可靠传输，发送方发了多少数据要保证接收方能接收多少数据，这就意味着它需要尽可能避免这种情况，除了重传机制以外还要有流量控制，这就需要——16位窗口大小（0 - 65535字节）。

接收方和发送方进行TCP通信时，每个报头都要带上自己的窗口大小，就是自己的接受缓冲区的剩余的大小。 前面我说过发送方会连续发送多个报文，接收方再对接收的每个报文做回应，但是发送方在一定时间内连续发送报文数量的上限是什么呢？这就要引入滑动窗口了。 滑动窗口就是建立在TCP发送缓冲区之上的，是TCP决定什么时候从缓冲区向外发数据的关键结构。 滑动窗口大小的决定因素之一就是对方回应的16位窗口大小，滑动窗口大小不会超过16位窗口大小对应的值，这样就能保证发送方不会发送过多数据，以至于溢出接收方的接受缓冲区导致数据丢弃。

④紧急指针

TCP传输中，总会产生特殊情况需要紧急传输的数据，因此TCP还支持16位紧急指针（需要在控制位URG == 1时生效）。当紧急指针生效时，TCP按序到达就会被打破，OS优先读取处理紧急数据（如使用百度云盘，上传数据时用户申请终止上传，这个终止的指令就比较紧急，不需要等到前面大量数据被按序收到）。 紧急指针就是一个标记有效载荷中紧急数据的偏移量。紧急数据的长度呢？紧急数据只占1个字节，不能被大量使用。

其余部分，如端口、检验和等就不多赘述了，和UDP一致。