TCP和UDP協(xié)議的區(qū)別以及原理

最近重新認(rèn)知了一下TCP和UDP的原理以及區(qū)別，做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)。

一、作用

首先，tcp和udp都是工作在傳輸層，用于程序之間傳輸數(shù)據(jù)的。數(shù)據(jù)一般包含：文件類型，視頻類型，jpg圖片等。

二、區(qū)別

TCP是基于連接的，而UDP是基于非連接的。

tcp傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，適用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量要求較高的場(chǎng)景，需要準(zhǔn)確無(wú)誤的傳輸給對(duì)方，比如，傳輸文件，發(fā)送郵件，瀏覽網(wǎng)頁(yè)等等

udp的優(yōu)點(diǎn)是速度快，但是可能產(chǎn)生丟包，所以適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高但是對(duì)少量丟包并沒(méi)有太大要求的場(chǎng)景。比如：域名查詢，語(yǔ)音通話，視頻直播等。udp還有一個(gè)非常重要的應(yīng)用場(chǎng)景就是隧道網(wǎng)絡(luò)，比如：VXLAN

以人與人之間的通信為例：UDP協(xié)議就相當(dāng)于是寫信給對(duì)方，寄出去信件之后不能知道對(duì)方是否收到信件，信件內(nèi)容是否完整，也不能得到及時(shí)反饋，而TCP協(xié)議就像是打電話通信，在這一系列流程都能得到及時(shí)反饋，并能確保對(duì)方及時(shí)接收到。如下圖：

三、TCP通信的過(guò)程：

tcp是如何保證以上過(guò)程的？

分為三個(gè)步驟：三次握手，傳輸確認(rèn)，四次揮手。三次握手是建立連接的過(guò)程。

四、三次握手：

當(dāng)客戶端向服務(wù)端發(fā)起連接時(shí)，會(huì)先發(fā)一包連接請(qǐng)求數(shù)據(jù)，過(guò)去詢問(wèn)一下，能否與你建立連接？這包數(shù)據(jù)稱之為SYN包，如果對(duì)端同意連接，則回復(fù)一包SYN+ACK包，客戶端收到之后，發(fā)送一包ACK包，連接建立，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程中互相發(fā)送了三包數(shù)據(jù)，所以稱之為三次握手。

為什么要三次握手而不是兩次握手？

這是為了防止，因?yàn)橐咽У恼?qǐng)求報(bào)文，突然又傳到服務(wù)器，引起錯(cuò)誤， 這是什么意思？

假設(shè)采用兩次握手建立連接，客戶端向服務(wù)端發(fā)送一個(gè)syn包請(qǐng)求建立連接，因?yàn)槟承┪粗脑颍](méi)有到達(dá)服務(wù)器，在中間某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了滯留，為了建立連接，客戶端會(huì)重發(fā)syn包，這次的數(shù)據(jù)包正常送達(dá)，服務(wù)端發(fā)送syn+ack之后就建立起了連接。

但是第一包數(shù)據(jù)阻塞的網(wǎng)絡(luò)突然恢復(fù)，第一包syn包又送達(dá)到服務(wù)端，這時(shí)服務(wù)端會(huì)認(rèn)為客戶端又發(fā)起了一個(gè)新的連接，從而在兩次握手之后進(jìn)入等待數(shù)據(jù)狀態(tài)，服務(wù)端認(rèn)為是兩個(gè)連接，而客戶端認(rèn)為是一個(gè)連接，造成了狀態(tài)不一致，如果在三次握手的情況下，服務(wù)端收不到最后的ack包，自然不會(huì)認(rèn)為連接建立成功。

所以三次握手本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是為了解決網(wǎng)絡(luò)信道不可靠的問(wèn)題，為了在不可靠的信道上建立起可靠的連接，經(jīng)過(guò)三次握手之后，客戶端和服務(wù)端都進(jìn)入了數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。

五、數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸：

一包數(shù)據(jù)可能會(huì)被拆成多包發(fā)送，如何處理丟包問(wèn)題，這些數(shù)據(jù)包到達(dá)的先后順序不同，如何處理亂序問(wèn)題？

針對(duì)這些問(wèn)題，tcp協(xié)議為每一個(gè)連接建立了發(fā)送緩沖區(qū)，從建立鏈接后的第一個(gè)字節(jié)的序列號(hào)為0，后面每個(gè)字節(jié)的序列號(hào)就會(huì)增加1，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)取一部分?jǐn)?shù)據(jù)組成發(fā)送報(bào)文，在tcp協(xié)議頭中會(huì)附帶序列號(hào)和長(zhǎng)度，接收端在收到數(shù)據(jù)后需要回復(fù)確認(rèn)報(bào)文，確認(rèn)報(bào)文中的ack等于接受序列號(hào)加長(zhǎng)度，也就是下包數(shù)據(jù)發(fā)送的起始序列號(hào)，這樣一問(wèn)一答的發(fā)送方式，能夠使發(fā)送端確認(rèn)發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)被對(duì)方收到，發(fā)送端也可以發(fā)送一次的連續(xù)的多包數(shù)據(jù)，接受端只需要回復(fù)一次ack就可以了。如圖：

六、四次揮手：

處于連接狀態(tài)的客戶端和服務(wù)端，都可以發(fā)起關(guān)閉連接請(qǐng)求，此時(shí)需要四次揮手來(lái)進(jìn)行連接關(guān)閉。假設(shè)客戶端主動(dòng)發(fā)起連接關(guān)閉請(qǐng)求，他給服務(wù)端發(fā)起一包FIN包，標(biāo)識(shí)要關(guān)閉連接，自己進(jìn)入終止等待1裝填，服務(wù)端收到FIN包，發(fā)送一包ACK包，標(biāo)識(shí)自己進(jìn)入了關(guān)閉等待狀態(tài)，客戶端進(jìn)入終止等待2狀態(tài)，這是第二次揮手，服務(wù)端此時(shí)還可以發(fā)送未發(fā)送的數(shù)據(jù)，而客戶端還可以接受數(shù)據(jù)，待服務(wù)端發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，發(fā)送一包FIN包，最后進(jìn)入確認(rèn)狀態(tài)，這是第3次揮手，客戶端收到之后恢復(fù)ACK包，進(jìn)入超時(shí)等待狀態(tài)，經(jīng)過(guò)超時(shí)時(shí)間后關(guān)閉連接，而服務(wù)端收到ACK包后，立即關(guān)閉連接，這是第四次揮手。

為什么客戶端要等待超時(shí)時(shí)間？這是為了保證對(duì)方已經(jīng)收到ACK包，因?yàn)榧僭O(shè)客戶端發(fā)送完最后一包ACK包后釋放了連接，一旦ACK包在網(wǎng)絡(luò)中丟失，服務(wù)端將一直停留在最后確認(rèn)狀態(tài)，如果等待一段時(shí)間，這時(shí)服務(wù)端會(huì)因?yàn)闆](méi)有收到ack包重發(fā)FIN包，客戶端會(huì)響應(yīng) 這個(gè)FIN包進(jìn)行重發(fā)ack包，并刷新超時(shí)時(shí)間，這個(gè)機(jī)制跟第三次握手一樣。也是為了保證在不可靠的網(wǎng)絡(luò)鏈路中進(jìn)行可靠的連接斷開(kāi)確認(rèn)。

七、UDP協(xié)議

udp:首先udp協(xié)議是非連接的，發(fā)送數(shù)據(jù)就是把簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)包封裝一下，然后從網(wǎng)卡發(fā)出去就可以了，數(shù)據(jù)包之間并沒(méi)有狀態(tài)上的聯(lián)系，正因?yàn)閡dp這種簡(jiǎn)單的處理方式，導(dǎo)致他的性能損耗非常少，對(duì)于cpu，內(nèi)存資源的占用也遠(yuǎn)小于tcp，但是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的丟包，udp并不能保證，所以u(píng)dp在傳輸穩(wěn)定性上要弱于tcp。

所以，tcp和udp的主要區(qū)別：tcp傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，適用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量要求較高的場(chǎng)景，需要準(zhǔn)確無(wú)誤的傳輸給對(duì)方。比如，傳輸文件，發(fā)送郵件，瀏覽網(wǎng)頁(yè)等等，udp的優(yōu)點(diǎn)是速度快，但是可能產(chǎn)生丟包，所以適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高但是對(duì)少量丟包并沒(méi)有太大要求的場(chǎng)景。比如：域名查詢，語(yǔ)音通話，視頻直播等。

udp還有一個(gè)非常重要的應(yīng)用場(chǎng)景就是隧道網(wǎng)絡(luò)，比如：VXLAN.