UDP&TCP

UDP：

• (1) UDP，user datagram protocol，用戶數據報協議，不提供復雜的控制機制，利用IP提供面向無連接的通信服務，并且它是將應用程序發送過來的數據包在收到的那一刻，立即按照原樣發送到上的一種機制。

• (2) 即使在網絡擁堵的情況下，UDP也無法進行流量控制等避免網絡擁塞的行為。此外，在傳輸過程中如果出現丟包，UDP也不負責重發，甚至當數據包的到達順序亂掉之后也沒有糾正順序的功能。因此，如果需要這些細節控制的話，就需要在采用UDP協議的應用層去作出處理。

• (3) 由于UDP面向無連接，所以它可以隨時向對端發送數據包，再加上UDP本身的處理既簡單右高效，所以UDP經常用于如下幾個方面：

使用場景

• 數據包總量比較少的通信，比如DNS、SNMP。
• 視頻、音頻等對實時性要求比較高的多媒體通信。
• 廣播通信、多播通信。

TCP：

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• TCP，控制傳輸協議，和UDP的差別很大，它充分實現了數據傳輸時的各種控制功能：
• 針對發送端發出的數據包的確認應答信號ACK
• 針對數據包丟失或者出現定時器超時的重發機制
• 針對數據包到達接收端主機順序亂掉的順序控制
• 針對高效傳輸數據包的流動窗口控制
• 針對避免網絡擁堵時候的流量控制
• 針對剛開始啟動的時候避免一下子發送大量數據包而導致網絡癱瘓的慢啟動算法和擁塞控制。
  而這些在UDP中都是沒有的！此外，TCP作為一種面向有連接的控制傳輸協議，只有在確認對端主機存在時才會發送數據，從而可以控制通信流量的浪費。

TCP通過序列號、檢驗和、確認應答信號、重發控制、連接管理、窗口控制、流量控制、擁塞控制實現可靠性。

TCP 協議如何保證可靠傳輸

• 應用數據被分割成 TCP 認為最適合發送的數據塊。
• TCP 給發送的每一個包進行編號，接收方對數據包進行排序，把有序數據傳送給應用層。
• 校驗和： TCP 將保持它首部和數據的檢驗和。這是一個端到端的檢驗和，目的是檢測數據在傳輸過程中的任何變化。如果收到段的檢驗和有差錯，TCP 將丟棄這個報文段和不確認收到此報文段。
• TCP 的接收端會丟棄重復的數據。
• 流量控制： TCP 連接的每一方都有固定大小的緩沖空間，TCP的接收端只允許發送端發送接收端緩沖區能接納的數據。當接收方來不及處理發送方的數據，能提示發送方降低發送的速率，防止包丟失。TCP 使用的流量控制協議是可變大小的滑動窗口協議。 （TCP 利用滑動窗口實現流量控制）
• 擁塞控制： 當網絡擁塞時，減少數據的發送。
• 停止等待協議: 也是為了實現可靠傳輸的，它的基本原理就是每發完一個分組就- 停止發送，等待對方確認。在收到確認后再發下一個分組。 超時重傳： 當 TCP 發出一個段后，它啟動一個定時器，等待目的端確認收到這個報文段。如果不能及時收到一個確認，將重發這個報文段。

停止等待協議

停止等待協議是為了實現可靠傳輸的，它的基本原理就是每發完一個分組就停止發送，等待對方確認。在收到確認后再發下一個分組；
在停止等待協議中，若接收方收到重復分組，就丟棄該分組，但同時還要發送確認；

無差錯情況:

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發送方發送分組,接收方在規定時間內收到,并且回復確認.發送方再次發送。

出現差錯情況（超時重傳）:

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停止等待協議中超時重傳是指只要超過一段時間仍然沒有收到確認，就重傳前面發送過的分組（認為剛才發送過的分組丟失了）。因此每發送完一個分組需要設置一個超時計時器，其重轉時間應比數據在分組傳輸的平均往返時間更長一些。這種自動重傳方式常稱為 自動重傳請求 ARQ 。另外在停止等待協議中若收到重復分組，就丟棄該分組，但同時還要發送確認。連續 ARQ 協議 可提高信道利用率。發送維持一個發送窗口，凡位于發送窗口內的分組可連續發送出去，而不需要等待對方確認。接收方一般采用累積確認，對按序到達的最后一個分組發送確認，表明到這個分組位置的所有分組都已經正確收到了。

確認丟失和確認遲到

確認丟失：確認消息在傳輸過程丟失

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當A發送M1消息，B收到后，B向A發送了一個M1確認消息，但卻在傳輸過程中丟失。而A并不知道，在超時計時過后，A重傳M1消息，B再次收到該消息后采取以下兩點措施：

丟棄這個重復的M1消息，不向上層交付。
向A發送確認消息。（不會認為已經發送過了，就不再發送。A能重傳，就證明B的確認消息丟失）。
確認遲到 ：確認消息在傳輸過程中遲到

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A發送M1消息，B收到并發送確認。在超時時間內沒有收到確認消息，A重傳M1消息，B仍然收到并繼續發送確認消息（B收到了2份M1）。此時A收到了B第二次發送的確認消息。接著發送其他數據。過了一會，A收到了B第一次發送的對M1的確認消息（A也收到了2份確認消息）。處理如下：

• A收到重復的確認后，直接丟棄。
• B收到重復的M1后，也直接丟棄重復的M1。

自動重傳請求 ARQ 協議

停止等待協議中超時重傳是指只要超過一段時間仍然沒有收到確認，就重傳前面發送過的分組（認為剛才發送過的分組丟失了）。因此每發送完一個分組需要設置一個超時計時器，其重轉時間應比數據在分組傳輸的平均往返時間更長一些。這種自動重傳方式常稱為自動重傳請求ARQ。

• 優點： 簡單
• 缺點： 信道利用率低

連續ARQ協議

連續 ARQ 協議可提高信道利用率。發送方維持一個發送窗口，凡位于發送窗口內的分組可以連續發送出去，而不需要等待對方確認。接收方一般采用累計確認，對按序到達的最后一個分組發送確認，表明到這個分組為止的所有分組都已經正確收到了。

• 優點： 信道利用率高，容易實現，即使確認丟失，也不必重傳。
• 缺點： 不能向發送方反映出接收方已經正確收到的所有分組的信息。 比如：發送方發送了 5條 消息，中間第三條丟失（3號），這時接收方只能對前兩個發送確認。發送方無法知道后三個分組的下落，而只好把后三個全部重傳一次。這也叫 Go-Back-N（回退 N），表示需要退回來重傳已經發送過的 N 個消息。

滑動窗口

• TCP 利用滑動窗口實現流量控制的機制。
• 滑動窗口（Sliding window）是一種流量控制技術。早期的網絡通信中，通信雙方不會考慮網絡的擁擠情況直接發送數據。由于大家不知道網絡擁塞狀況，同時發送數據，導致中間節點阻塞掉包，誰也發不了數據，所以就有了滑動窗口機制來解決此問題。
• TCP 中采用滑動窗口來進行傳輸控制，滑動窗口的大小意味著接收方還有多大的緩沖區可以用于接收數據。發送方可以通過滑動窗口的大小來確定應該發送多少字節的數據。當滑動窗口為 0 時，發送方一般不能再發送數據報，但有兩種情況除外，一種情況是可以發送緊急數據，例如，允許用戶終止在遠端機上的運行進程。另一種情況是發送方可以發送一個 1 字節的數據報來通知接收方重新聲明它希望接收的下一字節及發送方的滑動窗口大小。

流量控制

• TCP 利用滑動窗口實現流量控制。
• 流量控制是為了控制發送方發送速率，保證接收方來得及接收。
• 接收方發送的確認報文中的窗口字段可以用來控制發送方窗口大小，從而影響發送方的發送速率。將窗口字段設置為 0，則發送方不能發送數據。

擁塞控制
在某段時間，若對網絡中某一資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，網絡的性能就要變壞。這種情況就叫擁塞。擁塞控制就是為了防止過多的數據注入到網絡中，這樣就可以使網絡中的路由器或鏈路不致過載。擁塞控制所要做的都有一個前提，就是網絡能夠承受現有的網絡負荷。擁塞控制是一個全局性的過程，涉及到所有的主機，所有的路由器，以及與降低網絡傳輸性能有關的所有因素。相反，流量控制往往是點對點通信量的控制，是個端到端的問題。流量控制所要做到的就是抑制發送端發送數據的速率，以便使接收端來得及接收。

為了進行擁塞控制，TCP 發送方要維持一個 擁塞窗口(cwnd) 的狀態變量。擁塞控制窗口的大小取決于網絡的擁塞程度，并且動態變化。發送方讓自己的發送窗口取為擁塞窗口和接收方的接受窗口中較小的一個。

TCP的擁塞控制采用了四種算法，即 慢開始 、 擁塞避免 、快重傳 和 快恢復。在網絡層也可以使路由器采用適當的分組丟棄策略（如主動隊列管理 AQM），以減少網絡擁塞的發生。

• 慢開始： 慢開始算法的思路是當主機開始發送數據時，如果立即把大量數據字節注入到網絡，那么可能會引起網絡阻塞，因為現在還不知道網絡的符合情況。經驗表明，較好的方法是先探測一下，即由小到大逐漸增大發送窗口，也就是由小到大逐漸增大擁塞窗口數值。cwnd初始值為1，每經過一個傳播輪次，cwnd加倍。
  
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擁塞避免： 擁塞避免算法的思路是讓擁塞窗口cwnd緩慢增大，即每經過一個往返時間RTT就把發送放的cwnd加1.

快重傳與快恢復：
在 TCP/IP 中，快速重傳和恢復（fast retransmit and recovery，FRR）是一種擁塞控制算法，它能快速恢復丟失的數據包。沒有 FRR，如果數據包丟失了，TCP 將會使用定時器來要求傳輸暫停。在暫停的這段時間內，沒有新的或復制的數據包被發送。有了 FRR，如果接收機接收到一個不按順序的數據段，它會立即給發送機發送一個重復確認。如果發送機接收到三個重復確認，它會假定確認件指出的數據段丟失了，并立即重傳這些丟失的數據段。有了 FRR，就不會因為重傳時要求的暫停被耽誤。 ?當有單獨的數據包丟失時，快速重傳和恢復（FRR）能最有效地工作。當有多個數據信息包在某一段很短的時間內丟失時，它則不能很有效地工作。

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