TCP与UDP

一、TCP与IP网络模型

计算机与网络设备之间要互相通信，双方就必须基于相同的方法。比如，如何探测到通信目标，由哪一方发起通信，使用哪种语言等，这些通信规则，必须提前规定好；
不同的硬件、操作系统之间的通信，都遵循了一种规则，我们把这种规则成为协议（protocol）。
而TCP/IP模型是互联网的基础，它是一系列网络协议总称。这些协议可以划分为四层：

• 链路层：负责封装和解封装IP报文，发送和接收ARP、RARP报文等；
• 网络层：负责路由，把分组报文发送给目标网络或主机；
• 传输层：负责对报文进行分组和重组，并以TCP或UDP协议格式封装报文；
• 应用层：负责向用户提供应用程序，比如HTTP、FTP等；

在网络体系结构中，网络通信的建立必须在通信双方的对等层进行，不能交错进行；
在整个数据传输过程中，数据在发送端时，经过各层时都要附加上相应层的协议头和协议尾（仅数据链路层需要封住协议尾），也就是对数据进行协议封装，以标识对应层所用的通信协议；

二、UDP

UDP全称用户数据报协议，在网络层，它与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议；
UDP处在OSI模型中的传输层；
UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点。也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否完整到达
特点：

1. 面向无连接

UDP发送数据前，不会通过握手建立连接（TCP需要），想发数据就发数据，只是当做一个数据的搬用工，不会对数据进行任何的拆分和拼接操作；

• 在发送端，应用层将数据传递给传输层的UDP协议，UDP只会给数据增加一个协议头（标识是UDP），然后就传递给网络层
• 在接收端，网络层将数据传递给传输层，UDP只去掉了IP报文头，就传递给应用层了，不会做任何拼接操作；

2. 有单播、多播、广播功能

UDP不止支持一对一的传输方式，同样支持一对多，多对一的方式；

3. UDP是面向报文的

发送方的UDP对应用程序传下来的报文，在添加协议头后，就交给IP层（网络层）；
UDP对应用层的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的辩解
因此，应用程序必须选择合适大小的报文；

4. 不可靠性

• 首先体现在无连接上，通信都不需要建立连接，想发就发；
• 并且受到什么数据就传递什么数据，不会备份数据，发送数据也不关心对方有没有受到；
• 网络环境时好时坏，但是UDP没有拥塞控制，一直会以恒定的数据发送数据，即使网络条件不好，也不会对发送速率进行调整，这样在网络不好的情况下，可能会导致丢包；

5. 头部开销小，传输报文是很高效的；

UDP头部包含以下数据：

• 两个十六位的端口号，分别为源端口和目标端口
• 整个数据报文的长度
• 整个数据报文的校验和（IPv4可选字段），该字段用于发现头部信息和数据中的错误；
  因此UDP的头部开销小，只有八个字节，相比TCP至少有二十个字节，在传输数据报文是高效的；

三、TCP
当一台计算结想要与另一台计算机通讯时，两台计算机之间的通信需要畅通而且可靠，这样才能保证收发数据的准确；
例如：当你想查看电子邮件时，希望完整且按顺序查看网页，而不丢失任何内容；当你下载文件时，希望获得完整的文件，而不是文件的一部分。这是就用到了TCP；
TCP协议全称传输控制协议，是一种面向连接的、可靠地、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC793定义。
TCP是面向连接的、可靠的流协议；

1. TCP连接过程

三次握手

• 第一次：客户端向服务端发送连接请求报文段，该报文段中包含自身的数据通讯初始序号，请求发送后，客户端便进入SYN-SENT状态；
• 第二次：服务端收到连接请求报文段后，如果同意连接，则会发送一个应答，该应答中也会包含自身的数据通讯初始序号，发送完成后便进入SYN-RECEIVE状态。
• 第三次：当客户端收到连接同意的应答后，还需要向服务端发送一个确认报文，客户端发完这个报文后便进入ESTABLISHED状态，服务端收到这个应答后，也进入ESTABLISHED状态，此时连接建立成功。

2. TCP断开连接过程

四次握手

• 第一次：当客户端认为数据发送完成， 则需要向服务端发送释放请求
• 第二次：服务端收到释放请求时，会告诉应用层要释放TCP连接，然后会发送ACK包，并进入CLOSE_WAIT；此时表明客户端到服务端的连接已经释放，服务端不会再接受客户端的数据了。
• 第三次：服务端如果此时还有没发完的数据，则会继续发送；发送完毕后，会向客户端发送连接释放请求，然后服务端进入LAST-ACK状态；
• 第四次：客户端收到释放请求后，向服务端发送确认应答， 此时客户端进入了TIME-WAIT，这个状态会持续2MSL（最大段生存期，指报文段在网络中生存时间，超时会被抛弃）时间，若该时间段内没有服务端的重发请求的话，就进入CLOSED状态；当服务端收到确认应答后，也进入CLOSED状态；

3. TCP协议的特点

• 面向连接
  指发送数据之前必须在两端建立连接，建立连接的方法是“三次握手”，这样能建立可靠的连接
• 仅支持单播传输
  每条TCP连接只能有两个端点，只能进行点对点的数据传输，不支持多播和广播传输方式；
• 面向字节流
  TCP不像UDP那样一个个报文独立地传输，而是在不保留报文边界的情况下，以字节流方式进行传输；
• 可靠传输
  TCP为了报站报文传输的可靠性，就给每一个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收到实体的包的按序接受。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认（ACK），如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传；
• 提供拥塞控制
  当网络出现拥塞的时候，TCP能投减小往网络注入数据的速率和数量，缓解拥塞
• TCP提供双工通信
  TCP允许通信双方的应用程序在任何时候都能发送数据，因为TCP连接的两端都设有缓存，用来临时存放双向通信的数据。

四、TCP和UDP比较

	UDP	TCP
是否连接	无连接	面向连接
是否可靠	不可靠传输，不使用流量控制和拥塞控制	可靠传输，使用流量控制和拥塞控制
连接对象个数	支持一对一，一对多，多对一和多对多交互通信	只能是一对一通信
传输方式	面向报文	面向字节流
首部开销	首部开销小，仅8字节	首部最小20字节，最大60字节
适用场景	适用于实时应用（IP电话、视频会议、直播等）	适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输