【一文读懂】TCP与UDP协议

TCP协议

概述

TCP（Transmission Control Protocol），即传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，常用于保证数据可靠、按顺序、无差错地传输。TCP 是互联网协议族（TCP/IP）的核心协议之一，通常与 IP 协议配合使用，负责实现数据在计算机网络中的传输。TCP 是一个传输层协议，位于 OSI 模型的第四层。

TCP 提供了一个可靠的通信通道，确保应用程序能够成功、完整地传输数据。

TCP 特性

1. 面向连接（Connection-Oriented） ：
   • 在数据传输开始之前，客户端和服务器必须通过 三次握手（Three-Way Handshake）过程建立连接。
   • 数据传输结束时，连接必须通过 四次挥手（Four-Way Handshake）过程进行正常关闭。
2. 可靠性 ：
   • TCP 通过 确认应答（ACK）机制确保数据可靠传输。如果数据包丢失或发生错误，TCP 会请求重新传输。
   • 采用 序列号 和 校验和 来确保数据按正确顺序到达且无错误。
3. 数据顺序 ：
   • TCP 会将接收到的数据按顺序排列，即使数据包顺序到达错误，TCP 也会重新排序。
4. 流量控制（Flow Control） ：
   • TCP 使用 滑动窗口机制 来控制数据传输速率，避免发送方数据过快，导致接收方缓存溢出。
5. 拥塞控制（Congestion Control） ：
   • TCP 通过动态调整数据传输速率来避免网络拥塞，使用 慢启动 、拥塞避免 、快速重传 和 快速恢复 等算法。

TCP 连接的建立和关闭

1. 三次握手（Three-Way Handshake）

在 TCP 连接建立过程中，客户端和服务器通过三次握手来确保双方能够通信，并建立起可靠的连接。

• 第一次握手 ：客户端向服务器发送一个 SYN（同步）报文，表示客户端请求建立连接。
• 第二次握手 ：服务器收到客户端的 SYN 报文后，向客户端发送一个 SYN-ACK（同步-确认）报文，表示服务器同意建立连接，并且返回客户端的序列号确认。
• 第三次握手 ：客户端收到服务器的 SYN-ACK 报文后，再次发送一个 ACK（确认）报文给服务器，表示连接建立成功。

此时，客户端和服务器之间的连接建立完成，数据传输可以开始。

2. 四次挥手（Four-Way Handshake）

在连接关闭时，TCP 使用四次挥手来确保数据的传输完成，双方都可以安全关闭连接。

• 第一次挥手 ：客户端发送一个 FIN（结束）报文，表示客户端不再发送数据，开始关闭连接。
• 第二次挥手 ：服务器收到 FIN 报文后，向客户端发送一个 ACK（确认）报文，表示服务器确认收到关闭连接的请求。
• 第三次挥手 ：服务器发送一个 FIN 报文，表示服务器也没有数据发送，准备关闭连接。
• 第四次挥手 ：客户端收到服务器的 FIN 报文后，发送一个 ACK 报文，确认连接关闭。

至此，连接完全关闭。

TCP 报文结构

TCP 报文由 TCP 头部 和 数据部分 组成，TCP 头部包含了多个字段，负责控制数据的传输，确保数据按顺序且可靠地到达目标。

1. TCP 头部结构

TCP 头部固定为 20 字节（不含选项字段）。以下是主要字段的说明：

• 源端口（Source Port）：发送方端口号（2 字节）。

• 目标端口（Destination Port）：接收方端口号（2 字节）。

• 序列号（Sequence Number）：数据流的序列号，标识该数据包在整个数据流中的位置（4 字节）。

• 确认号（Acknowledgment Number）：如果 ACK 标志位为 1，该字段表示接收方期望接收的下一个字节序号（4 字节）。

• 数据偏移（Data Offset）：TCP 头部的长度，单位是 4 字节（4 字节）。

• 标志位（Flags）

  ：标识报文的不同状态，常见的标志位包括：

  • SYN：同步位，用于建立连接。
  • ACK：确认位，表示报文是对先前报文的确认。
  • FIN：结束位，表示关闭连接。
  • RST：重置位，表示连接异常。
  • PSH：推送位，表示数据需要立即传输。
  • URG：紧急位，表示数据为紧急数据。

• 窗口大小（Window Size）：表示接收方的缓冲区大小，控制流量的大小（2 字节）。

• 校验和（Checksum）：用于检测数据在传输过程中是否出现错误（2 字节）。

• 紧急指针（Urgent Pointer）：如果 URG 标志位为 1，紧急指针标识紧急数据的结束位置（2 字节）。

• 选项字段（Options）：可选的字段，包含最大报文段长度、时间戳等信息（可选）。

2. TCP 数据部分

TCP 数据部分包含实际传输的数据，数据部分的大小取决于窗口大小和网络条件，通常在 0 到 1460 字节之间。

TCP 的拥塞控制

TCP 使用多种算法来管理网络拥塞，确保数据能够高效传输：

• 慢启动（Slow Start）：在连接建立初期，TCP 发送方从一个小的窗口大小开始逐渐增加发送窗口大小，以避免过多的数据立即发送导致拥塞。
• 拥塞避免（Congestion Avoidance）：当网络带宽使用达到一定阈值时，TCP 会减慢数据发送速度，避免拥塞发生。
• 快速重传（Fast Retransmit）：如果 TCP 发现某个数据包丢失，它会立即重传该数据包，而不是等待超时。
• 快速恢复（Fast Recovery）：与快速重传一起使用，当丢包事件发生时，TCP 会避免立即进入慢启动阶段，而是通过调整拥塞窗口进行恢复。

应用

​ Web 浏览（HTTP/HTTPS）、电子邮件（SMTP）和文件传输（FTP）

UDP协议

概述

UDP（User Datagram Protocol） ，即用户数据报协议，是一种无连接的、简单的传输层协议。它在互联网协议族（TCP/IP 协议栈）中与 TCP 一样工作于传输层，负责实现数据包的传输。与 TCP 不同，UDP 是 无连接的，不保证数据的可靠性、顺序性或完整性。因此，它适用于对延迟敏感、能容忍丢包的应用场景，如实时音视频通信、在线游戏等。

UDP 通过提供一种简单且高效的方式来进行数据传输，消除了 TCP 的连接建立、流量控制、拥塞控制等复杂过程，因此它通常具有更低的延迟，但也意味着它牺牲了可靠性和顺序性保障。

特性

1. 无连接（Connectionless） ：
   • 在传输数据之前，UDP 不需要进行连接建立。发送方可以随时发送数据包，而接收方也无需建立连接或维持状态。
   • 每个数据包都是独立的，发送方和接收方没有任何状态保持。
2. 不可靠（Unreliable） ：
   • UDP 不提供数据包的确认、重传或错误修正。数据包可能在传输过程中丢失、重复或乱序。接收方必须自行处理丢包或错误。
   • 由于没有拥塞控制机制，UDP 适合需要实时传输且能容忍丢包的应用（如视频流、VoIP、在线游戏）。
3. 低延迟（Low Latency） ：
   • 由于没有连接建立和数据重传等机制，UDP 比 TCP 更快，适合对实时性要求高的应用。
4. 简单 ：
   • UDP 的协议开销小，数据包头部较小，仅包含最基本的必要字段。因此，传输效率较高。
5. 面向数据报（Datagram-Oriented） ：
   • UDP 传输的数据单位为 数据报（Datagram），每个数据报在传输中独立处理，彼此之间没有顺序关系。

UDP 头部结构

UDP 数据包的头部结构非常简洁，固定长度为 8 字节，包含以下字段：

1. 源端口（Source Port）（2 字节）：指定发送端的端口号。如果发送方没有使用端口，字段可以置为 0。
2. 目标端口（Destination Port）（2 字节）：指定接收端的端口号。
3. 长度（Length）（2 字节）：UDP 数据报的总长度，包括 UDP 头部和数据部分。
4. 校验和（Checksum） （2 字节）：用于错误检测，检查 UDP 数据报在传输过程中是否有错误。校验和不仅覆盖 UDP 数据部分，还包括伪头部，伪头部是 IP 层的一部分，用于校验传输的数据。
   • 校验和是可选的，在 IPv4 中并不是强制要求，但在 IPv6 中是强制要求的。如果不使用校验和，可以设置为 0。
5. 数据（Data） ：实际传输的内容，长度由 长度 字段指定。数据部分的长度可以变动，因此 UDP 数据包的总大小不固定。

UDP 头部示例：

| Source Port | Destination Port | Length | Checksum | Data |
   2 bytes        2 bytes          2 bytes    2 bytes

应用场景

由于 UDP 的低延迟和简单性，它适合以下应用场景：

1. 实时通信 ：
   • VoIP（语音通信）：如 Skype、Zoom 等，音频流传输要求低延迟和高效率，而丢包可以容忍。
   • 视频流：例如网络直播、视频会议等，实时性要求高，但对于轻微的丢包，用户体验影响较小。
2. 在线游戏 ：
   • 网络游戏通常需要高效、实时的数据传输，UDP 用于玩家之间的实时动作和游戏状态同步。
3. 广播/多播通信 ：
   • UDP 支持广播和多播，适用于数据需要传输给多个接收方的场景，例如 IPTV 广播。
4. DNS 查询 ：
   • DNS（域名系统）请求和响应通常通过 UDP 协议进行，传输简单、延迟低。
5. SNMP（简单网络管理协议） ：
   • 用于网络设备的监控和管理，UDP 用于简单、高效的请求和响应。

总结

TCP 适用于对可靠性要求高的场景，它提供了连接管理、数据顺序、流量控制和拥塞控制等机制，保证了数据的完整性和可靠性，牺牲了一定的传输效率。

UDP 适用于对实时性要求高、能容忍丢包的场景，如视频通话、在线游戏等。它不提供连接管理、数据重传等保障，减少了协议开销，提高了传输速度，但牺牲了数据的可靠性和顺序性。

相同点：

1. 传输层协议 ：TCP 和 UDP 都属于 传输层（OSI 模型第4层）协议，负责将数据从源主机传输到目标主机。
2. 基于 IP 协议 ：两者都依赖于 IP 协议 来实现数据包的路由和转发，因此在网络通信中都需要通过 IP 地址来寻址。
3. 数据分段：两者都会将大的数据块分割成较小的数据段，并通过网络传输。这些数据段的大小由应用层决定，但实际传输过程中，IP 协议负责将其进一步分段。

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不同点：

特性	TCP	UDP
连接方式	面向连接（Connection-Oriented）	无连接（Connectionless）
可靠性	可靠（数据传输有确认、重传机制）	不可靠（数据不保证送达，且可能丢失）
顺序保证	保证数据按顺序到达（有序传输）	不保证数据顺序（可能乱序到达）
流量控制	有流量控制机制（如滑动窗口）	无流量控制机制
拥塞控制	有拥塞控制机制（如慢启动、拥塞避免）	无拥塞控制机制
头部大小	20 字节（最小）	8 字节
传输效率	传输效率较低，因需额外的控制和确认信息	传输效率较高，头部较小且无额外控制信息
延迟	较高（需要连接建立、流量控制等机制）	较低（没有连接建立和重传机制）
用途	用于要求高可靠性和数据顺序的应用	用于对延迟敏感且能容忍丢包的应用
典型应用场景	Web 浏览、文件传输（HTTP、FTP）、电子邮件	实时视频、语音通信、在线游戏
连接建立	需要三次握手（Three-Way Handshake）	无需建立连接，直接发送数据
数据丢失和错误处理	会重传丢失的数据，并进行校验	不会重传丢失的数据，校验和可选
校验机制	校验和是强制的，用于确保数据传输正确	校验和可选（但一般会使用）