TCP和UDP区别 - 技术栈

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）和UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）都是Internet协议套件中的传输层协议，但它们在工作方式、特性和适用场景上有显著区别：

连接方式：
- TCP 是面向连接的协议。在数据传输前，TCP会先通过三次握手建立连接，确保双方都准备好进行通信，类似于打电话前需要先拨号接通。
- UDP 是无连接的协议。它不建立正式的连接就可以直接发送数据报，类似于写信并邮寄出去，不确认对方是否在家或能否接收。
数据传输可靠性：
- TCP 提供可靠的数据传输服务，确保数据包无差错、不丢失、不重复且按序到达。TCP通过序列号、确认应答、重传机制和流量控制等策略来保证数据的可靠性。
- UDP 不保证数据包的可靠传输，它只是尽可能快地将数据包发送出去，由上层应用负责处理数据完整性、顺序和丢包问题。因此，UDP可能遇到数据丢失、乱序等问题。
数据结构：
- TCP 是基于字节流的，它将数据看作一个无界的字节流，并没有明确的数据边界，适合连续数据的传输。【需要对字节流进行分割和组装】
- UDP 是基于数据报的，每个UDP数据报都是一个独立的信息单元，包含完整的源地址、目的地址以及数据，适合一次性传输小块数据。【有明确的数据边界，数据报是独立的实体】
资源消耗和延迟：
- TCP 需要维护连接状态和执行复杂的错误检测与恢复机制，因此对系统资源的需求更高，可能导致较高的延迟。
- **UDP 由于无需建立连接和维护连接状态，其头部开销小，处理速度快，延迟较低，更适用于对实时性要求高的应用。
应用场景：
- TCP 适用于对数据完整性、顺序和可靠性要求高的应用，如Web浏览器、电子邮件、文件传输（FTP）、远程登录（SSH）等。
- UDP 适用于对实时性要求高、能容忍一定数据丢失的应用，如在线视频、直播、语音通话、在线游戏、DNS查询等。

概念讲解：

错误检查：

假设Alice要通过TCP给Bob发送一连串的数据包，每个数据包都有一个唯一的序列号。

发送数据：Alice首先发送数据包1，这个数据包包含了序列号1，表示这是第一个数据包。
等待确认：Bob收到数据包1后，他会向Alice发送一个确认应答（ACK），这个ACK中会包含他期望接下来收到的数据包的序列号。既然Bob已经收到了序列号为1的数据包，他的ACK就会声明他下一个期待接收的是序列号为2的数据包。
超时重传：如果Alice没有在预期的时间内收到针对数据包1的ACK（可能是因为数据包在网络中丢失了或者ACK在返回途中丢失），Alice会启动一个计时器。当这个计时器到达设定的超时时间后，Alice就会认为数据包1没有成功到达Bob，于是她会重新发送数据包1。
接收与排序：一旦Bob收到了重新发送的数据包1，他会再次发送ACK确认收到。这样，即使最初的数据包1丢失了，通过重传机制，Bob最终还是能够完整无误地接收到所有数据包，并且按照序列号对它们进行排序。

重传机制：

假设Alice要通过TCP给Bob发送一连串的数据包，每个数据包都有一个唯一的序列号。

发送数据：Alice首先发送数据包1，这个数据包包含了序列号1，表示这是第一个数据包。
等待确认：Bob收到数据包1后，他会向Alice发送一个确认应答（ACK），这个ACK中会包含他期望接下来收到的数据包的序列号。既然Bob已经收到了序列号为1的数据包，他的ACK就会声明他下一个期待接收的是序列号为2的数据包。
超时重传：如果Alice没有在预期的时间内收到针对数据包1的ACK（可能是因为数据包在网络中丢失了或者ACK在返回途中丢失），Alice会启动一个计时器。当这个计时器到达设定的超时时间后，Alice就会认为数据包1没有成功到达Bob，于是她会重新发送数据包1。
接收与排序：一旦Bob收到了重新发送的数据包1，他会再次发送ACK确认收到。这样，即使最初的数据包1丢失了，通过重传机制，Bob最终还是能够完整无误地接收到所有数据包，并且按照序列号对它们进行排序。

重传类型包括：

超时重传：TCP为每个发送的数据段设置一个定时器（称为重传定时器或RTO，Retransmission TimeOut）。如果在预期的时间内没有收到对方确认该数据段的ACK（Acknowledgment）报文，就认为数据段丢失或者网络中存在严重延迟，这时会触发超时重传。发送方会重新发送未被确认的数据段。
快速重传：这是对超时重传的一种补充。当接收方检测到数据包的顺序混乱（比如收到了序列号更高的数据包但期待的是更低序列号的数据包），它会立即发送重复的ACK，告知发送方某个特定序列号的数据包未到达。如果发送方短时间内收到多个重复确认同一个序列号的ACK，不用等待重传定时器超时，TCP会快速反应并重传被认为丢失的数据包，这样可以更快地恢复数据流，减少延迟。
选择性确认（SACK，Selective Acknowledgment）：在某些情况下，接收方可能已经收到了数据流中的某些数据包，而另外一些则丢失了。选择性确认允许接收方在ACK中具体指出哪些数据片段已经正确接收到，这样发送方就可以只重传那些确实丢失的数据包，而不是从最后一个确认的数据包开始全部重传，提高了效率。