TCP和UDP協(xié)議的區(qū)別以及原理

最近重新認知了一下TCP和UDP的原理以及區(qū)別，做一個簡單的總結(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。

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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，適用于對網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)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(fā)送郵件，瀏覽網(wǎng)頁等等

udp的優(yōu)點是速度快，但是可能產(chǎn)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，視頻直播等。udp還有一個非常重要的應(yīng)用場景就是隧道網(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(nèi)容是否完整，也不能得到及時反饋，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反饋，并能確保對方及時接收到。如下圖：

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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(wù)端發(fā)起連接時，會先發(fā)一包連接請求數(shù)據(jù)，過去詢問一下，能否與你建立連接？這包數(shù)據(jù)稱之為SYN包，如果對端同意連接，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，因為這個過程中互相發(fā)送了三包數(shù)據(jù)，所以稱之為三次握手。

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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(wù)器，引起錯誤， 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syn包請求建立連接，因為某些未知的原因，并沒有到達服務(wù)器，在中間某個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點產(chǎn)生了滯留，為了建立連接，客戶端會重發(fā)syn包，這次的數(shù)據(jù)包正常送達，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包又送達到服務(wù)端，這時服務(wù)端會認為客戶端又發(fā)起了一個新的連接，從而在兩次握手之后進入等待數(shù)據(jù)狀態(tài)，服務(wù)端認為是兩個連接，而客戶端認為是一個連接，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，自然不會認為連接建立成功。

所以三次握手本質(zhì)上來說就是為了解決網(wǎng)絡(luò)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(jīng)過三次握手之后，客戶端和服務(wù)端都進入了數(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)可能會被拆成多包發(fā)送，如何處理丟包問題，這些數(shù)據(jù)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(xié)議為每一個連接建立了發(fā)送緩沖區(qū)，從建立鏈接后的第一個字節(jié)的序列號為0，后面每個字節(jié)的序列號就會增加1，發(fā)送數(shù)據(jù)時，從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)取一部分數(shù)據(jù)組成發(fā)送報文，在tcp協(xié)議頭中會附帶序列號和長度，接收端在收到數(shù)據(jù)后需要回復(fù)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(shù)據(jù)發(fā)送的起始序列號，這樣一問一答的發(fā)送方式，能夠使發(fā)送端確認發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)被對方收到，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：

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六、四次揮手：

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處于連接狀態(tài)的客戶端和服務(wù)端，都可以發(fā)起關(guān)閉連接請求，此時需要四次揮手來進行連接關(guān)閉。假設(shè)客戶端主動發(fā)起連接關(guān)閉請求，他給服務(wù)端發(fā)起一包FIN包，標識要關(guān)閉連接，自己進入終止等待1裝填，服務(wù)端收到FIN包，發(fā)送一包ACK包，標識自己進入了關(guān)閉等待狀態(tài)，客戶端進入終止等待2狀態(tài)，這是第二次揮手，服務(wù)端此時還可以發(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，最后進入確認狀態(tài)，這是第3次揮手，客戶端收到之后恢復(fù)ACK包，進入超時等待狀態(tài)，經(jīng)過超時時間后關(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時間？這是為了保證對方已經(jīng)收到ACK包，因為假設(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 最后確認狀態(tài)，如果等待一段時間，這時服務(wù)端會因為沒有收到ack包重發(fā)FIN包，客戶端會響應(yīng) 這個FIN包進行重發(fā)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(wǎng)絡(luò)鏈路中進行可靠的連接斷開確認。

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)包之間并沒有狀態(tài)上的聯(lián)系，正因為udp這種簡單的處理方式，導(dǎo)致他的性能損耗非常少，對于cpu，內(nèi)存資源的占用也遠小于tcp，但是對于網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中產(chǎn)生的丟包，udp并不能保證，所以udp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，適用于對網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)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(fā)送郵件，瀏覽網(wǎng)頁等等，udp的優(yōu)點是速度快，但是可能產(chǎn)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，視頻直播等。

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