[网络协议]TCP与UDP的区别

一、概述

在计算机的时代里，我们都觉得很神奇，为什么另一端的信息可以实时的发送到我们这一端，我们常说地球村，地球那么大，为什么说它是个村呢？原因很简单，因为互联网，互联网把我们大家联系在一起。
说到互联网，我们大家都不陌生，那互联网到底是什么呢？互联网通俗的；来说就是网络的网络。我们通过网络联系在一起，通过网络实现各种信息、媒体传递。“没有规矩，不成方圆！”那这么多的网络想要联系起来，没有一套“规矩”也是不行的，所以，在互联网的世界里，它也要遵循一种网络协议，也就是所说的TCP/IP协议。

二、网络分层模型

为了简化网络各层的操作，提供标准接口便于实现和维护。我们采用网络分层，分层后的网络，每一层都是独立的，各不关心。同时可以使用最合适的技术来实现，我们只需要保证提供的功能以及暴露的接口规则有没有改变；我们在处理网络问题的时候也比较方便，容易操作。
IOS组织定义了一个计算机互联的标准分层模型。

互联网实际使用的是TCP/IP模型是OSI七层网络模型的简化版：

三、TCP & UDP

在网络模型中，我们一般关心的是应用层和传输层，而我们要讨论的TCP与UDP就在传输层。接下来我们详细讨论两个协议的优缺点：

一、TCP

一、结构格式

• TCP(Transmission Control Protocol)协议：传输控制协议，提供面向连接、可靠的数据服务，TCP主要提供完整性服务。
• 每一条TCP连接只能有两个端点（服务器、客户端），所以每一条TCP来连接都是点对点的。
• TCP面向的是字节流。
• TCP具备“可靠性传输”、“流量控制”、“拥塞控制”等功能。

TCP报文段包括TCP首部和TCP数据部分：
TCP协议首部格式：
TCP首部包括20字节的固定首部 + 长度可变的其他选项。

如图所示：
源端口和目的端口（4个字节）
该部分表示的是发送方端口和接收方端口。

序号（4个字节）
序号字段表示的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号，代表每次数据发送的位置。每发送一次数据，就累加一次该数据字节数的大小。
确认号（4个字节）
期望收到对方的下一个报文数据的第一个字节的序号。
数据偏移（4个字节）
数据部分距离报文首部的偏移量。报文部分最大60个字节，也就是说数据偏移量最大为40字节。
控制位（8位）
用于传输过程中，传递控制标志位。
窗口
窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据，单位是字节。（因为接收方的数据缓存空间有限）

二、建立连接与释放连接

TCP既然是面向连接的，那它就有连接的过程：
三次握手：

• 第一次握手：客户算先向服务器发送一个同步数据包，数据包的TCP首部内容需要包括：同步SYN=1,确认ACK=0。客户端由close变为syn-sent状态。
• 第二次握手：服务器收到客户端发送的一个数据包后，若同意连接，则返回同步SYN=1,确认ACK=1。服务器由listen变为syn-rcvd状态。
• 第三次握手：客户端收到服务器的确认后，再给服务器发送一个数据包，TCP首部包括：同步SYN=0，确认ACK=1。客户端最后变为estab-lished。

四次挥手：
第一次挥手：客户端向服务器发送释放连接的请求报文，并停止发送数据，TCP首部包括：终止FIN=1，确认ACK=0。
第二次挥手：服务器收到客户端的释放连接之后，给客户端发送确认报文，但此时服务器端的报文数据还没有发送完，继续发送，TCP首部包括：FIN=0，ACK=1。
第三次挥手：服务器已经将数据全部发送完毕，其应用程序就向客户端发送报文，TCP首部包括：ACK=1，FIN=1.
第四次挥手：客户端收到服务器的连接释放报文后，向服务器发送确认报文，TCP首部包括：确认ACK=1，终止FIN=0。

三、重传机制

**重传超时：**重传超时是指当发送方发送了数据后，在规定的时间内没有得到应答，发送端就进行超时重传。
超时重传： 超时重传是TCP协议重传机制的一种，再重发超时的时间间隔内，没有等到确认应答，发送端就可以认为丢包，需要重传。有两种情况：一是发送时的丢包，二是响应时的丢包。
快速重传当接收到三次同样的ACK时，就会触发重发机制。但是这样存在一个弊端：在重传的时候，不知道是重传之前的一个还是重传所有的。
ASCK方法为了解决快速重传出现的问题，有了SACK方法，这种方式就是在TCP首部字段里加一个SACK。他是可以将缓存的地图发送给发送方，这样发送方就可以知道那些数据收到了哪些没收到，只重传丢失的数据。

四、窗口

TCP协议通过滑动窗口的机制解决了流量控制和乱序重排的问题。
窗口滑动：
客户端向服务器发送请求数据报文。
服务器收到请求报文后，发送确认报文和x字节的数据，窗口减少为窗口大小-x，指针向右移动x个。
客户端收到x字节后，窗口右移。
服务器再次发送窗口大小-x字节数据，窗口耗尽，服务器无法继续发送数据。
客户端收到数据后，窗口右移。
服务器收到确认报文后，指针后移，窗口增大到初始大小。
拥塞控制有四个算法：慢开始、拥塞避免，快重传、快恢复。
慢开始
在不知道网络的情况下，当达到一个门限值前，我们执行的是慢开始，令cwnd=1，发送方只能发送一个，之后就指数增长。
拥塞避免
当达到门限值时，按照加数增长。如果出现了超时，则将门限值（ssthresh）= cwnd/2，然后开始执行快开始。
快重传
在接受方，当收到三个相同的ACK时，就立即重传对方尚未收到的报文段。
快恢复
当超时恢复后，不执行慢开始，而执行快恢复（线性增大）。

五、可靠性传输

TCP通过校验和、序列号、确认应答、超时重发、高速重发、连接管理、流量控制、窗口控制、拥塞控制和ARQ协议来保证可靠性传输。

二、UDP

UDP(User Datagram Protocol)协议：用户数据包协议，提供无连接、尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），UDP主要提供及时性服务。
UDP协议使用的场景：

• 包总量较少的通信
• 视频、音频等多媒体通信
• 限定于LAN等特定网络中的应用通信
• 广播通信

UDP协议的首部格式：
UDP首部没有序列字段，因为UDP协议只需要传输一个数据包，不需要序号。
首部字段有8个字节，由4个字段组成：源端口、目的端口、长度和校验和。