TCP和UDP協議的區別以及原理

TCP 和UDP協議的區別以及原理

最近重新認知了一下 TCP 和 UDP 的原理以及區別，做一個簡單的總結。

一、作用

首先：tcp 和 udp 都是工作再傳輸層，用于程序之間傳輸數據的。數一般包含：文件類型，視頻類型，jpg 圖片等。

二、區別

TCP 是基于連接的，而 UDP 是基于非連接的。

tcp 傳輸數據穩定可靠，適用于對網絡通訊質量要求較高的場景，需要準確無誤的傳輸給對方，比如，傳輸文件，發送郵件，瀏覽網頁等等

udp 的優點是速度快，但是可能產生丟包，所以適用于對實時性要求較高但是對少量丟包并沒有太大要求的場景。比如：域名查詢，語音通話，視屏直播等。udp 還有一個非常重要的應用場景就是隧道網絡，比如：vpn,VXLAN.

以人與人之間的通信為例：UDP 協議就相當于是寫信給對方，寄出去信件之后不能知道對方是否收到信件，信件內容是否完整，也不能得到及時反饋，二TCP 協議就像是打電話通信，在這一系列流程都能得到及時反饋，并能確保對方及時接收到。如下圖：

三、TCP 通信的過程：

tcp 是如何保證以上過程的: 分為三個步驟，三次握手，傳輸確認，四次揮手。三次握手是建立連接的過程。

四、三次握手：

當客戶端向服務端發起連接時，會先發一包連接請求數據，過去詢問一下，能否與你建立連接？這包數據稱之為SYN 包，如果對端同意連接，則回復一包 SYN+ACK 包，客戶端收到之后，發送一包 ACK 包，連接建立，因為這個過程中互相發送了三包數據，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，因為已失效的請求報文，突然又傳到服務器，引起錯誤 這是什么意思？

假設采用兩次握手建立連接，客戶端向服務端發送一個 syn 包請求建立連接，因為某些未知的原因，并沒有到達服務器，在中間某個網絡節點產生了滯留，為了建立連接，客戶端會重發 syn 包，這次的數據包正常送達，服務端發送 syn+ack 之后就建立起了連接，但是第一包數據阻塞的網絡突然恢復，第一包 syn 包又送達到服務端，這是服務端會認為客戶端又發起了一個新的連接，從而在兩次握手之后進入等待數據狀態，服務端認為是兩個連接，而客戶端認為是一個連接，造成了狀態不一致，如果在三次握手的情況下，服務端收不到最后的 ack 包，自然不會認為連接建立成功，所以三次握手本質上來說就是為了解決網絡信道不可靠的問題，為了在不可靠的信道上建立起可靠的連接，經過三次握手之后，客戶端和服務端都進入了數據傳輸狀態。

五、數據傳輸：

數據傳輸:

一包數據可能會被拆成多包發送, 如何處理丟包問題，這些數據包到達的先后順序不同，如何處理亂序問題？針對這些問題，tcp 協議為每一個連接建立了發送緩沖區，從建立鏈接后的第一個字節的序列號為 0，后面每個字節的序列號就會增加 1，發送數據時，從數據緩沖區取一部分數據組成發送報文，在 tcp 協議頭中會附帶序列號和長度，接收端在收到數據后需要回復確認報文，確認報文中的 ack 等于接受序列號加長度，也就是下包數據發送的起始序列號，這樣一問一答的發送方式，能夠使發送端確認發送的數據已經被對方收到，發送端也可以發送一次的連續的多包數據，接受端只需要回復一次 ack 就可以了如圖：

六、四次揮手：

處于連接狀態的客戶端和服務端，都可以發起關閉連接請求，此時需要四次揮手來進行連接關閉，假設客戶端主動發起連接關閉請求，他給服務端發起一包 FIN 包，標識要關閉連接，自己進入終止等待 1 裝填，服務端收到 FIN 包，發送一包 ACK 包，標識自己進入了關閉等待狀態，客戶端進入終止等待 2 狀態。這是第二次揮手，服務端此時還可以發送未發送的數據，而客戶端還可以接受數據，待服務端發送完數據之后，發送一包 FIN 包，最后進入確認狀態，這是第 3 次揮手，客戶端收到之后恢復 ACK 包，進入超時等待狀態，經過超時時間后關閉連接，而服務端收到 ACK 包后，立即關閉連接，這是第四次揮手。為什么客戶端要等待超時時間這是為了保證對方已經收到 ACK 包，因為假設客戶端發送完最后一包 ACK 包后釋放了連接，一旦 ACK 包在網絡中丟失，服務端將一直停留在 最后確認狀態，如果等待一段時間，這時服務端會因為沒有收到 ack 包重發 FIN 包，客戶端會響應 這個 FIN 包進行重發 ack 包，并刷新超時時間，這個機制跟第三次握手一樣。也是為了保證在不可靠的網絡鏈路中進行可靠的連接斷開確認。

七、UDP 協議：

udp: 首先 udp 協議是非連接的，發送數據就是把簡單的數據包封裝一下，然后從網卡發出去就可以了，數據包之間并沒有狀態上的聯系，正因為 udp 這種簡單的處理方式，導致他的性能損耗非常少，對于 cpu, 內存資源的占用也遠小于 tcp, 但是對于網絡傳輸過程中產生的丟包，udp 并不能保證，所以 udp 在傳輸穩定性上要弱于 tcp，所以，tcp 和 udp 的主要卻別：tcp 傳輸數據穩定可靠，適用于對網絡通訊質量要求較高的場景，需要準確無誤的傳輸給對方，比如，傳輸文件，發送郵件，瀏覽網頁等等，udp 的優點是速度快，但是可能產生丟包，所以適用于對實時性要求較高但是對少量丟包并沒有太大要求的場景。比如：域名查詢，語音通話，視屏直播等。udp 還有一個非常重要的應用場景就是隧道網絡，比如：vpn,VXLAN