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引言

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是每個(gè)工程師都必須要掌握的知識(shí)，TCP/IP 中有兩個(gè)具有代表性的傳輸層協(xié)議，分別是 TCP 和 UDP，本文將介紹下這兩者以及它們之間的區(qū)別。

一、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模型

計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要相互通信，雙方就必須基于相同的方法。比如，如何探測(cè)到通信目標(biāo)、由哪一邊先發(fā)起通信、使用哪種語(yǔ)言進(jìn)行通信、怎樣結(jié)束通信等規(guī)則都需要事先確定。不同的硬件、操作系統(tǒng)之間的通信，所有的這一切都需要一種規(guī)則。而我們就把這種規(guī)則稱為協(xié)議（protocol）。

TCP/IP 是互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的各類協(xié)議族的總稱，比如：TCP，UDP，IP，F(xiàn)TP，HTTP，ICMP，SMTP 等都屬于 TCP/IP 族內(nèi)的協(xié)議。

TCP/IP模型是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，它是一系列網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的總稱。這些協(xié)議可以劃分為四層，分別為鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

• 鏈路層：負(fù)責(zé)封裝和解封裝IP報(bào)文，發(fā)送和接受ARP/RARP報(bào)文等。
• 網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)路由以及把分組報(bào)文發(fā)送給目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)或主機(jī)。
• 傳輸層：負(fù)責(zé)對(duì)報(bào)文進(jìn)行分組和重組，并以TCP或UDP協(xié)議格式封裝報(bào)文。
• 應(yīng)用層：負(fù)責(zé)向用戶提供應(yīng)用程序，比如HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)通信的建立必須是在通信雙方的對(duì)等層進(jìn)行，不能交錯(cuò)。 在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)在發(fā)送端時(shí)經(jīng)過(guò)各層時(shí)都要附加上相應(yīng)層的協(xié)議頭和協(xié)議尾（僅數(shù)據(jù)鏈路層需要封裝協(xié)議尾）部分，也就是要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議封裝，以標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)層所用的通信協(xié)議。接下去介紹TCP/IP 中有兩個(gè)具有代表性的傳輸層協(xié)議----TCP 和 UDP。

二、UDP

UDP協(xié)議全稱是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)中它與TCP協(xié)議一樣用于處理數(shù)據(jù)包，是一種無(wú)連接的協(xié)議。在OSI模型中，在第四層——傳輸層，處于IP協(xié)議的上一層。UDP有不提供數(shù)據(jù)包分組、組裝和不能對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序的缺點(diǎn)，也就是說(shuō)，當(dāng)報(bào)文發(fā)送之后，是無(wú)法得知其是否安全完整到達(dá)的。

它有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1. 面向無(wú)連接

首先 UDP 是不需要和 TCP一樣在發(fā)送數(shù)據(jù)前進(jìn)行三次握手建立連接的，想發(fā)數(shù)據(jù)就可以開(kāi)始發(fā)送了。并且也只是數(shù)據(jù)報(bào)文的搬運(yùn)工，不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行任何拆分和拼接操作。

具體來(lái)說(shuō)就是：

• 在發(fā)送端，應(yīng)用層將數(shù)據(jù)傳遞給傳輸層的 UDP 協(xié)議，UDP 只會(huì)給數(shù)據(jù)增加一個(gè) UDP 頭標(biāo)識(shí)下是 UDP 協(xié)議，然后就傳遞給網(wǎng)絡(luò)層了
• 在接收端，網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)傳遞給傳輸層，UDP 只去除 IP 報(bào)文頭就傳遞給應(yīng)用層，不會(huì)任何拼接操作

2. 有單播，多播，廣播的功能

UDP 不止支持一對(duì)一的傳輸方式，同樣支持一對(duì)多，多對(duì)多，多對(duì)一的方式，也就是說(shuō) UDP 提供了單播，多播，廣播的功能。

3. UDP是面向報(bào)文的

發(fā)送方的UDP對(duì)應(yīng)用程序交下來(lái)的報(bào)文，在添加首部后就向下交付IP層。UDP對(duì)應(yīng)用層交下來(lái)的報(bào)文，既不合并，也不拆分，而是保留這些報(bào)文的邊界。因此，應(yīng)用程序必須選擇合適大小的報(bào)文

4. 不可靠性

首先不可靠性體現(xiàn)在無(wú)連接上，通信都不需要建立連接，想發(fā)就發(fā)，這樣的情況肯定不可靠。

并且收到什么數(shù)據(jù)就傳遞什么數(shù)據(jù)，并且也不會(huì)備份數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)也不會(huì)關(guān)心對(duì)方是否已經(jīng)正確接收到數(shù)據(jù)了。

再者網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)好時(shí)壞，但是 UDP 因?yàn)闆](méi)有擁塞控制，一直會(huì)以恒定的速度發(fā)送數(shù)據(jù)。即使網(wǎng)絡(luò)條件不好，也不會(huì)對(duì)發(fā)送速率進(jìn)行調(diào)整。這樣實(shí)現(xiàn)的弊端就是在網(wǎng)絡(luò)條件不好的情況下可能會(huì)導(dǎo)致丟包，但是優(yōu)點(diǎn)也很明顯，在某些實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景（比如電話會(huì)議）就需要使用 UDP 而不是 TCP。

從上面的動(dòng)態(tài)圖可以得知，UDP只會(huì)把想發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)文一股腦的丟給對(duì)方，并不在意數(shù)據(jù)有無(wú)安全完整到達(dá)。

5. 頭部開(kāi)銷小，傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)是很高效的。

UDP 頭部包含了以下幾個(gè)數(shù)據(jù)：

• 兩個(gè)十六位的端口號(hào)，分別為源端口（可選字段）和目標(biāo)端口
• 整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的長(zhǎng)度
• 整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的檢驗(yàn)和（IPv4 可選 字段），該字段用于發(fā)現(xiàn)頭部信息和數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤

因此 UDP 的頭部開(kāi)銷小，只有八字節(jié)，相比 TCP 的至少二十字節(jié)要少得多，在傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)是很高效的
 

三、TCP

當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)想要與另一臺(tái)計(jì)算機(jī)通訊時(shí)，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通信需要暢通且可靠，這樣才能保證正確收發(fā)數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)你想查看網(wǎng)頁(yè)或查看電子郵件時(shí)，希望完整且按順序查看網(wǎng)頁(yè)，而不丟失任何內(nèi)容。當(dāng)你下載文件時(shí)，希望獲得的是完整的文件，而不僅僅是文件的一部分，因?yàn)槿绻麛?shù)據(jù)丟失或亂序，都不是你希望得到的結(jié)果，于是就用到了TCP。

TCP協(xié)議全稱是傳輸控制協(xié)議是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，由 IETF 的RFC 793定義。TCP 是面向連接的、可靠的流協(xié)議。流就是指不間斷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，你可以把它想象成排水管中的水流。

1. TCP連接過(guò)程

如下圖所示，可以看到建立一個(gè)TCP連接的過(guò)程為（三次握手的過(guò)程）:

第一次握手

客戶端向服務(wù)端發(fā)送連接請(qǐng)求報(bào)文段。該報(bào)文段中包含自身的數(shù)據(jù)通訊初始序號(hào)。請(qǐng)求發(fā)送后，客戶端便進(jìn)入 SYN-SENT 狀態(tài)。

第二次握手

服務(wù)端收到連接請(qǐng)求報(bào)文段后，如果同意連接，則會(huì)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答，該應(yīng)答中也會(huì)包含自身的數(shù)據(jù)通訊初始序號(hào)，發(fā)送完成后便進(jìn)入 SYN-RECEIVED 狀態(tài)。

第三次握手

當(dāng)客戶端收到連接同意的應(yīng)答后，還要向服務(wù)端發(fā)送一個(gè)確認(rèn)報(bào)文。客戶端發(fā)完這個(gè)報(bào)文段后便進(jìn)入 ESTABLISHED 狀態(tài)，服務(wù)端收到這個(gè)應(yīng)答后也進(jìn)入 ESTABLISHED 狀態(tài)，此時(shí)連接建立成功。

這里可能大家會(huì)有個(gè)疑惑：為什么 TCP 建立連接需要三次握手，而不是兩次？這是因?yàn)檫@是為了防止出現(xiàn)失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段被服務(wù)端接收的情況，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤。

2. TCP斷開(kāi)鏈接

TCP 是全雙工的，在斷開(kāi)連接時(shí)兩端都需要發(fā)送 FIN 和 ACK。

第一次握手

若客戶端 A 認(rèn)為數(shù)據(jù)發(fā)送完成，則它需要向服務(wù)端 B 發(fā)送連接釋放請(qǐng)求。

第二次握手

B 收到連接釋放請(qǐng)求后，會(huì)告訴應(yīng)用層要釋放 TCP 鏈接。然后會(huì)發(fā)送 ACK 包，并進(jìn)入 CLOSE_WAIT 狀態(tài)，此時(shí)表明 A 到 B 的連接已經(jīng)釋放，不再接收 A 發(fā)的數(shù)據(jù)了。但是因?yàn)?TCP 連接是雙向的，所以 B 仍舊可以發(fā)送數(shù)據(jù)給 A。

第三次握手

B 如果此時(shí)還有沒(méi)發(fā)完的數(shù)據(jù)會(huì)繼續(xù)發(fā)送，完畢后會(huì)向 A 發(fā)送連接釋放請(qǐng)求，然后 B 便進(jìn)入 LAST-ACK 狀態(tài)。

第四次握手

A 收到釋放請(qǐng)求后，向 B 發(fā)送確認(rèn)應(yīng)答，此時(shí) A 進(jìn)入 TIME-WAIT 狀態(tài)。該狀態(tài)會(huì)持續(xù) 2MSL（最大段生存期，指報(bào)文段在網(wǎng)絡(luò)中生存的時(shí)間，超時(shí)會(huì)被拋棄） 時(shí)間，若該時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有 B 的重發(fā)請(qǐng)求的話，就進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)。當(dāng) B 收到確認(rèn)應(yīng)答后，也便進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)。

3. TCP協(xié)議的特點(diǎn)

• 面向連接

  面向連接，是指發(fā)送數(shù)據(jù)之前必須在兩端建立連接。建立連接的方法是“三次握手”，這樣能建立可靠的連接。建立連接，是為數(shù)據(jù)的可靠傳輸打下了基礎(chǔ)。

• 僅支持單播傳輸

每條TCP傳輸連接只能有兩個(gè)端點(diǎn)，只能進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，不支持多播和廣播傳輸方式。

• 面向字節(jié)流

TCP不像UDP一樣那樣一個(gè)個(gè)報(bào)文獨(dú)立地傳輸，而是在不保留報(bào)文邊界的情況下以字節(jié)流方式進(jìn)行傳輸。

• 可靠傳輸

  對(duì)于可靠傳輸，判斷丟包，誤碼靠的是TCP的段編號(hào)以及確認(rèn)號(hào)。TCP為了保證報(bào)文傳輸?shù)目煽?，就給每個(gè)包一個(gè)序號(hào)，同時(shí)序號(hào)也保證了傳送到接收端實(shí)體的包的按序接收。然后接收端實(shí)體對(duì)已成功收到的字節(jié)發(fā)回一個(gè)相應(yīng)的確認(rèn)(ACK)；如果發(fā)送端實(shí)體在合理的往返時(shí)延(RTT)內(nèi)未收到確認(rèn)，那么對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)（假設(shè)丟失了）將會(huì)被重傳。

• 提供擁塞控制

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的時(shí)候，TCP能夠減小向網(wǎng)絡(luò)注入數(shù)據(jù)的速率和數(shù)量，緩解擁塞

• TCP提供全雙工通信

TCP允許通信雙方的應(yīng)用程序在任何時(shí)候都能發(fā)送數(shù)據(jù)，因?yàn)門(mén)CP連接的兩端都設(shè)有緩存，用來(lái)臨時(shí)存放雙向通信的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，TCP可以立即發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)段，也可以緩存一段時(shí)間以便一次發(fā)送更多的數(shù)據(jù)段（最大的數(shù)據(jù)段大小取決于MSS）

四、TCP和UDP的比較

1. 對(duì)比

	UDP	TCP
是否連接	無(wú)連接	面向連接
是否可靠	不可靠傳輸，不使用流量控制和擁塞控制	可靠傳輸，使用流量控制和擁塞控制
連接對(duì)象個(gè)數(shù)	支持一對(duì)一，一對(duì)多，多對(duì)一和多對(duì)多交互通信	只能是一對(duì)一通信
傳輸方式	面向報(bào)文	面向字節(jié)流
首部開(kāi)銷	首部開(kāi)銷小，僅8字節(jié)	首部最小20字節(jié)，最大60字節(jié)
適用場(chǎng)景	適用于實(shí)時(shí)應(yīng)用（IP電話、視頻會(huì)議、直播等）	適用于要求可靠傳輸?shù)膽?yīng)用，例如文件傳輸

2. 總結(jié)

• TCP向上層提供面向連接的可靠服務(wù) ，UDP向上層提供無(wú)連接不可靠服務(wù)。
• 雖然 UDP 并沒(méi)有 TCP 傳輸來(lái)的準(zhǔn)確，但是也能在很多實(shí)時(shí)性要求高的地方有所作為
• 對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求高，速度可以相對(duì)較慢的，可以選用TCP