在构建现代互联网通信的基石中，TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）起着至关重要的作用。本文将深入探讨两者的区别及应用场景。
1
TCP和UDP的共同点
传输层协议：
传输层是网络通信模型中的关键层次之一，它位于网络层之上，应用层之下。在OSI模型中，传输层被定义为第四层，主要负责在网络中的不同主机上的应用程序之间提供数据传输服务。在这一层中，有两个非常重要的协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。它们共同构成了网络通信的两大支柱
支持的数据类型
- 文件：可以是文本文件、图片、视频、音频或任何其他形式的文件。
- 视频：流媒体视频数据可以通过这两种协议进行传输。
- 图片：图像数据同样可以通过TCP或UDP进行有效传输。
端到端通信：无论是TCP还是UDP，它们都支持端到端的数据传输，这意味着数据可以从源主机的一个应用程序直接传输到目的主机的另一个应用程序，而无需在中间节点进行不必要的处理。
多路复用：TCP和UDP都允许多个应用程序在同一网络连接上并发通信。这是通过使用端口号来区分不同的通信流实现的。每个应用程序或进程在发送数据时都会指定一个端口号，接收方根据端口号来识别和处理数据。
面向字节流：这两个协议都是面向字节流的，意味着它们可以传输任意类型的数据，而不需要关心数据的具体内容或结构。
无边界的传输：TCP和UDP在传输数据时不保证数据的边界。也就是说，它们不会自动将数据分割成特定的消息边界，这就需要应用层来负责消息的边界划分。
拥塞控制和流量控制：尽管TCP和UDP在拥塞控制和流量控制的实现上有所不同，但它们都可以支持这些机制。这些机制帮助适应网络条件和接收方的处理能力，以优化数据传输过程。
错误检测：TCP和UDP都提供了一定程度的错误检测功能，以确保数据在传输过程中的完整性。TCP使用更复杂的校验和机制，而UDP使用较为简单的校验和。
支持广播和多播：这两个协议都能够支持广播和多播传输，允许数据包同时向多个目的地发送，这对于需要一对多或多对多通信的应用场景非常有用。
动态端口分配：TCP和UDP都支持使用动态端口号，这使得客户端应用程序能够生成大量短连接，而无需手动管理端口号。
不关心网络层的细节：TCP和UDP抽象了网络层的细节，使得应用程序开发者可以不必关心底层网络的具体实现，从而可以专注于应用层的开发。
2
TCP和UDP的区别？
使用TCP协议，就像是打电话
-
当你拨打电话时，对方接听之前，会有一个呼叫建立的过程。这类似于TCP协议中的三次握手过程，它确保了双方建立了一个双向的、可靠的通信连接。这个过程包括：
-
客户端发送一个SYN（同步序列编号）标志位的TCP段到服务器，请求建立连接。
-
服务器收到请求后，回复一个SYN-ACK（同步-确认）标志位的TCP段，表示同意建立连接。
-
客户端收到服务器的响应后，发送一个ACK（确认）标志位的TCP段，完成握手过程。
-
- 通话过程中，双方可以实时交流，任何问题都能立即得到确认。这与TCP提供的数据传输确认机制相似，确保数据准确无误地送达对方。TCP通过序列号、确认应答、数据重组和丢包重传来实现数据传输的可靠性。
- 通话结束时，双方都会挂断电话，这一动作类似于TCP的四次挥手过程，明确地结束了通信过程。这个过程包括：
- 客户端发送一个FIN（结束）标志位的TCP段，请求关闭已建立的连接。
- 服务器收到FIN后，发送一个ACK标志位的TCP段作为回应。
- 服务器发送一个FIN标志位的TCP段，请求关闭其至客户端的数据传输方向。
- 客户端收到服务器的FIN后，发送一个ACK标志位的TCP段作为确认，并等待一段时间（2MSL）以确保服务器接收到了最终的ACK包。
而使用UDP协议，更像是写信
- 信件一旦寄出，你无法知道对方是否收到信件，信中的内容是否完整，或者在多封信的情况下，它们是否按照正确的顺序到达。UDP协议不保证数据包的顺序、完整性或可靠性。它是一种无连接的协议，数据包独立发送，不建立连接，也不提供确认和控制机制。
- UDP提供了一种简单且快速的通信方式，它不进行握手连接、不保证数据包顺序、不重传。这种轻量级的设计使得UDP在头部开销上远小于TCP，从而在网络通信中能够快速地发送数据。
接下来，我将深入对比TCP和UDP之间的主要差异。
1.
连接方式：
TCP是面向连接的协议，需建立连接；
UDP是无连接的，无需建立连接即可传输数据。
2.
可靠性：
TCP提供可靠的数据传输，确保数据包正确、完整、按顺序到达；
UDP则不保证数据包的可靠传输，可能会导致丢包、乱序或重复。
3.
数据传输：
TCP：提供可靠的数据传输，保证数据包正确、有序、无误差地传输。
UDP：不保证数据传输的可靠性，可能发生丢包、乱序或损坏。
4.
速度：
由于TCP需要建立连接和保证数据的可靠传输，其速度相对较慢；
UDP由于简单直接，没有建立连接的步骤，因此速度更快。
5.
使用场景：
TCP适用于准确性关键的应用，如文件传输、邮件发送；
UDP适合实时性高的应用，如在线游戏、语音和视频通信。
6.
流量控制和拥塞控制：
TCP：内置流量控制和拥塞控制机制，防止网络过载。
UDP：不提供流量控制和拥塞控制，这些功能需要应用层实现。
7.
错误恢复：
TCP：具有错误检测和恢复机制，如丢包重传、错误校正。
UDP：不提供错误恢复机制，需要应用层处理。
8.
报文结构：
TCP：有复杂的头部结构，包含序列号、确认号、窗口大小等控制信息。
UDP：头部结构简单，主要包含源端口、目的端口和长度校验等。
9.
资源消耗：
TCP：由于需要维护连接状态和进行错误恢复，消耗更多的资源。
UDP：由于协议简单，消耗的资源较少。
10.
编程复杂性：
TCP：编程模型较为复杂，需要处理连接的建立、维护和释放。
UDP：编程模型简单，只需发送和接收数据报文。
3
TCP三次握
第一次握手：SYN（同步序列编号）
- 连接请求：客户端选择一个初始序列号（seq=x），并将SYN标志位设为1，表示这是一个连接请求的开始。这个序列号是客户端随机选择的，它将用于后续通信中识别和排序数据包。
- 发送SYN报文：客户端将这个SYN报文发送给服务器，请求建立一个TCP连接。
第二次握手：SYN-ACK（同步-确认）
- 接收SYN报文：服务器收到客户端的SYN报文后，如果同意建立连接，则会进入第二次握手。
- 发送SYN-ACK报文：服务器向客户端发送一个TCP报文段作为响应。在这个报文段中，SYN标志位设为1，表示服务器也请求建立连接。同时，ACK标志位也设为1，表示对客户端SYN报文的确认。
- 确认号和序列号：服务器的确认号（ack）设为客户端的序列号加1（ack=x+1），表明服务器期待从该序列号开始接收数据。服务器也会提供一个自己的初始序列号（seq=y），作为对客户端的SYN-ACK响应。
第三次握手：ACK（确认）
- 接收SYN-ACK报文：客户端收到服务器的SYN-ACK报文后，进入第三次握手。
- 发送ACK报文：客户端发送一个TCP报文段作为响应，其中ACK标志位设为1，表明这是一个确认报文。
- 序列号和确认号：客户端的序列号（seq）增加1（seq=x+1），表示客户端确认了服务器的初始序列号，并且准备好从这个序列号开始发送数据。确认号（ack）设为服务器的初始序列号加1（ack=y+1），完成对服务器SYN报文的确认。
通过这三次交互，客户端和服务器成功地交换了初始序列号，并且双方都确认了对方的接收能力和发送能力，从而建立起一个稳定的通信连接。这个过程中，序列号和确认号的交换确保了连接的双方都有对方最新的信息，这个过程是TCP协议保证连接可靠性的关键机制之一。
4
TCP如何处理丢包问题？
TCP协议通过序列号和确认应答机制解决丢包问题，确保数据传输的可靠性。
1. 序列号标记
- 序列号的作用：TCP为每个数据字节分配一个唯一的序列号，这个序列号从0开始递增。这样，每个TCP段都能被准确识别，确保了数据的顺序和量。
- 排序与识别：序列号使得接收方能够识别每个数据段的相对位置，从而可以正确地重新组装数据流。
2. 连续数据传输
- 效率提升：发送方可以利用序列号连续发送多个数据段，而不必等待每个段的确认。这种机制称为“滑动窗口”，它允许发送方在等待确认的同时，继续发送新的数据段。
- 单个ACK回复：接收方对这些连续发送的数据段只需回复单个ACK（确认应答），这个ACK指示了接收方期望接收的下一个数据段的序列号。这提升了传输效率，因为不必为每个数据段单独进行确认。
3. 数据重组
- 按序重组：接收方根据每个数据段的序列号重新组装原始数据流。即使数据段不是按发送顺序到达的，接收方也能够正确地按照序列号将它们重组。
- 完整性保障：这种重组机制保障了数据的完整性与顺序，确保了接收方得到的数据与发送方发送的数据完全一致。
4. 丢包重传
- 丢包检测：如果接收方检测到数据段丢失，它会通过发送一个ACK报文指示期望的序列号，通知发送方进行重传。
- 重传机制：发送方接收到特定的ACK后，会重传丢失的数据段。例如，如果序列号100至199的数据段丢失，接收方发送ACK=100，告知发送方从序列号100开始的数据未收到，发送方随后会重传这一部分数据。
5. 全双工通信
- 独立发送和接收：TCP支持全双工模式，这意味着客户端和服务器可以独立进行发送和接收操作，互不干扰。
- 提高效率：全双工通信确保了双方数据传输的可靠性和效率，因为它允许数据在两个方向上同时进行传输，而不需要交替进行发送和接收。
5
TCP四次挥手
以下以客户端发起关闭连接为例：
第一次挥手：客户端发送FIN
- 结束请求：客户端完成数据传输后，向服务器发送一个FIN（结束）标志位的TCP段。这是客户端请求关闭已建立的连接的信号。
- 等待确认：发送完FIN后，客户端进入FIN-WAIT-1状态，等待服务器的确认。
第二次挥手：服务器确认并进入CLOSE-WAIT
- 确认收到：服务器收到客户端的FIN后，发送一个ACK（确认）标志位的TCP段作为回应，告知客户端已收到关闭连接的请求。
- 半关闭状态：服务器进入CLOSE-WAIT状态，此时客户端接收到ACK后进入FIN-WAIT-2状态。连接处于半关闭状态，意味着客户端已经没有数据要发送给服务器了，但服务器仍然可以发送数据给客户端。
第三次挥手：服务器发送FIN
- 发送结束请求：服务器在完成其数据的发送和接收后，向客户端发送一个FIN标志位的TCP段，请求关闭其至客户端的数据传输方向。
第四次挥手：客户端确认并进入TIME-WAIT
- 确认收到：客户端收到服务器的FIN后，向服务器发送一个ACK标志位的TCP段作为确认。
- TIME-WAIT状态：客户端进入TIME-WAIT状态，等待一段时间（称为2MSL，即最大报文段生存时间的两倍）以确保服务器接收到了最终的ACK包。
连接关闭
- 服务器关闭连接：服务器在发送完FIN后会等待客户端的ACK确认。一旦收到ACK，服务器立即关闭连接。
- 客户端关闭连接：客户端在TIME-WAIT状态经过2MSL时间后，确保没有未收到的ACK需要重传，也关闭连接。
通过四次挥手，TCP连接被完全关闭。与三次握手建立连接的过程相对应，四次挥手确保了TCP连接的双方都可以独立地关闭自己的发送方向，然后协同关闭整个连接，避免了潜在的资源泄露和数据丢失。
6
UDP协议的特点
简单性
- 无连接：UDP摒弃了建立连接的复杂性，它是一种无连接的协议，这意味着在数据传输之前不需要建立连接。
- 轻量级设计：UDP的头部开销远小于TCP，因为它不提供数据包确认、顺序控制、流量控制或拥塞管理等机制。这种设计使得UDP能够快速地发送数据，而不需要额外的通信开销。
- 独立处理：由于UDP不维护连接状态，每个数据包都是独立处理的，这使得它非常适合那些对实时性要求高但对数据传输稳定性要求不高的应用场景。
低延迟
- 快速传输：UDP协议由于不需要进行握手连接、不保证数据包顺序、不进行数据重传，因此能够显著减少数据传输的等待时间，实现快速传输。
- 实时应用：在需要快速响应的应用中，如在线游戏、实时视频会议等，UDP的低延迟特性非常重要。
适用性
- 实时性高的应用：UDP适用于那些对实时性要求高，但对数据准确性要求相对宽松的场景。例如，在域名查询（DNS）中，快速响应比确保每个查询都准确无误更重要。
- 允许丢包和误差：在语音通话和视频直播等应用中，允许一定程度的丢包和误差，以换取更快的传输速度和更小的延迟，这通常可以提供更好的用户体验。
效率与限制
- 高效传输：UDP提供了高效的数据传输，但它不保证数据包的可靠传输。这意味着接收方可能会遇到丢包、乱序或重复的数据包。
- 应用层错误处理：使用UDP的应用通常需要在应用层实现额外的错误检测和纠正机制。这是因为UDP本身不提供错误恢复机制，所以应用需要自行处理数据的完整性和准确性问题。
1
原创文章，作者：速盾高防cdn，如若转载，请注明出处：https://www.sudun.com/ask/76042.html
