引言

網絡協議是每個工程師都必須要掌握的知識，TCP/IP 中有兩個具有代表性的傳輸層協議，分別是 TCP 和 UDP，本文將介紹下這兩者以及它們之間的區別。

一、TCP/IP網絡模型

計算機與網絡設備要相互通信，雙方就必須基于相同的方法。比如，如何探測到通信目標、由哪一邊先發起通信、使用哪種語言進行通信、怎樣結束通信等規則都需要事先確定。不同的硬件、操作系統之間的通信，所有的這一切都需要一種規則。而我們就把這種規則稱為協議（protocol）。

TCP/IP 是互聯網相關的各類協議族的總稱，比如：TCP，UDP，IP，FTP，HTTP，ICMP，SMTP 等都屬于 TCP/IP 族內的協議。

TCP/IP模型是互聯網的基礎，它是一系列網絡協議的總稱。這些協議可以劃分為四層，分別為鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。

• 鏈路層：負責封裝和解封裝IP報文，發送和接受ARP/RARP報文等。
• 網絡層：負責路由以及把分組報文發送給目標網絡或主機。
• 傳輸層：負責對報文進行分組和重組，并以TCP或UDP協議格式封裝報文。
• 應用層：負責向用戶提供應用程序，比如HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

在網絡體系結構中網絡通信的建立必須是在通信雙方的對等層進行，不能交錯。 在整個數據傳輸過程中，數據在發送端時經過各層時都要附加上相應層的協議頭和協議尾（僅數據鏈路層需要封裝協議尾）部分，也就是要對數據進行協議封裝，以標識對應層所用的通信協議。接下去介紹TCP/IP 中有兩個具有代表性的傳輸層協議----TCP 和 UDP。

二、UDP

UDP協議全稱是用戶數據報協議，在網絡中它與TCP協議一樣用于處理數據包，是一種無連接的協議。在OSI模型中，在第四層——傳輸層，處于IP協議的上一層。UDP有不提供數據包分組、組裝和不能對數據包進行排序的缺點，也就是說，當報文發送之后，是無法得知其是否安全完整到達的。

它有以下幾個特點：

1. 面向無連接

首先 UDP 是不需要和 TCP一樣在發送數據前進行三次握手建立連接的，想發數據就可以開始發送了。并且也只是數據報文的搬運工，不會對數據報文進行任何拆分和拼接操作。

具體來說就是：

• 在發送端，應用層將數據傳遞給傳輸層的 UDP 協議，UDP 只會給數據增加一個 UDP 頭標識下是 UDP 協議，然后就傳遞給網絡層了
• 在接收端，網絡層將數據傳遞給傳輸層，UDP 只去除 IP 報文頭就傳遞給應用層，不會任何拼接操作

2. 有單播，多播，廣播的功能

UDP 不止支持一對一的傳輸方式，同樣支持一對多，多對多，多對一的方式，也就是說 UDP 提供了單播，多播，廣播的功能。

3. UDP是面向報文的

發送方的UDP對應用程序交下來的報文，在添加首部后就向下交付IP層。UDP對應用層交下來的報文，既不合并，也不拆分，而是保留這些報文的邊界。因此，應用程序必須選擇合適大小的報文

4. 不可靠性

首先不可靠性體現在無連接上，通信都不需要建立連接，想發就發，這樣的情況肯定不可靠。

并且收到什么數據就傳遞什么數據，并且也不會備份數據，發送數據也不會關心對方是否已經正確接收到數據了。

再者網絡環境時好時壞，但是 UDP 因為沒有擁塞控制，一直會以恒定的速度發送數據。即使網絡條件不好，也不會對發送速率進行調整。這樣實現的弊端就是在網絡條件不好的情況下可能會導致丟包，但是優點也很明顯，在某些實時性要求高的場景（比如電話會議）就需要使用 UDP 而不是 TCP。

從上面的動態圖可以得知，UDP只會把想發的數據報文一股腦的丟給對方，并不在意數據有無安全完整到達。

5. 頭部開銷小，傳輸數據報文時是很高效的。

UDP 頭部包含了以下幾個數據：

• 兩個十六位的端口號，分別為源端口（可選字段）和目標端口
• 整個數據報文的長度
• 整個數據報文的檢驗和（IPv4 可選 字段），該字段用于發現頭部信息和數據中的錯誤

因此 UDP 的頭部開銷小，只有八字節，相比 TCP 的至少二十字節要少得多，在傳輸數據報文時是很高效的
 

三、TCP

當一臺計算機想要與另一臺計算機通訊時，兩臺計算機之間的通信需要暢通且可靠，這樣才能保證正確收發數據。例如，當你想查看網頁或查看電子郵件時，希望完整且按順序查看網頁，而不丟失任何內容。當你下載文件時，希望獲得的是完整的文件，而不僅僅是文件的一部分，因為如果數據丟失或亂序，都不是你希望得到的結果，于是就用到了TCP。

TCP協議全稱是傳輸控制協議是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議，由 IETF 的RFC 793定義。TCP 是面向連接的、可靠的流協議。流就是指不間斷的數據結構，你可以把它想象成排水管中的水流。

1. TCP連接過程

如下圖所示，可以看到建立一個TCP連接的過程為（三次握手的過程）:

第一次握手

客戶端向服務端發送連接請求報文段。該報文段中包含自身的數據通訊初始序號。請求發送后，客戶端便進入 SYN-SENT 狀態。

第二次握手

服務端收到連接請求報文段后，如果同意連接，則會發送一個應答，該應答中也會包含自身的數據通訊初始序號，發送完成后便進入 SYN-RECEIVED 狀態。

第三次握手

當客戶端收到連接同意的應答后，還要向服務端發送一個確認報文。客戶端發完這個報文段后便進入 ESTABLISHED 狀態，服務端收到這個應答后也進入 ESTABLISHED 狀態，此時連接建立成功。

這里可能大家會有個疑惑：為什么 TCP 建立連接需要三次握手，而不是兩次？這是因為這是為了防止出現失效的連接請求報文段被服務端接收的情況，從而產生錯誤。

2. TCP斷開鏈接

TCP 是全雙工的，在斷開連接時兩端都需要發送 FIN 和 ACK。

第一次握手

若客戶端 A 認為數據發送完成，則它需要向服務端 B 發送連接釋放請求。

第二次握手

B 收到連接釋放請求后，會告訴應用層要釋放 TCP 鏈接。然后會發送 ACK 包，并進入 CLOSE_WAIT 狀態，此時表明 A 到 B 的連接已經釋放，不再接收 A 發的數據了。但是因為 TCP 連接是雙向的，所以 B 仍舊可以發送數據給 A。

第三次握手

B 如果此時還有沒發完的數據會繼續發送，完畢后會向 A 發送連接釋放請求，然后 B 便進入 LAST-ACK 狀態。

第四次握手

A 收到釋放請求后，向 B 發送確認應答，此時 A 進入 TIME-WAIT 狀態。該狀態會持續 2MSL（最大段生存期，指報文段在網絡中生存的時間，超時會被拋棄） 時間，若該時間段內沒有 B 的重發請求的話，就進入 CLOSED 狀態。當 B 收到確認應答后，也便進入 CLOSED 狀態。

3. TCP協議的特點

• 面向連接

  面向連接，是指發送數據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，是為數據的可靠傳輸打下了基礎。

• 僅支持單播傳輸

每條TCP傳輸連接只能有兩個端點，只能進行點對點的數據傳輸，不支持多播和廣播傳輸方式。

• 面向字節流

TCP不像UDP一樣那樣一個個報文獨立地傳輸，而是在不保留報文邊界的情況下以字節流方式進行傳輸。

• 可靠傳輸

  對于可靠傳輸，判斷丟包，誤碼靠的是TCP的段編號以及確認號。TCP為了保證報文傳輸的可靠，就給每個包一個序號，同時序號也保證了傳送到接收端實體的包的按序接收。然后接收端實體對已成功收到的字節發回一個相應的確認(ACK)；如果發送端實體在合理的往返時延(RTT)內未收到確認，那么對應的數據（假設丟失了）將會被重傳。

• 提供擁塞控制

當網絡出現擁塞的時候，TCP能夠減小向網絡注入數據的速率和數量，緩解擁塞

• TCP提供全雙工通信

TCP允許通信雙方的應用程序在任何時候都能發送數據，因為TCP連接的兩端都設有緩存，用來臨時存放雙向通信的數據。當然，TCP可以立即發送一個數據段，也可以緩存一段時間以便一次發送更多的數據段（最大的數據段大小取決于MSS）

四、TCP和UDP的比較

1. 對比

	UDP	TCP
是否連接	無連接	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
連接對象個數	支持一對一，一對多，多對一和多對多交互通信	只能是一對一通信
傳輸方式	面向報文	面向字節流
首部開銷	首部開銷小，僅8字節	首部最小20字節，最大60字節
適用場景	適用于實時應用（IP電話、視頻會議、直播等）	適用于要求可靠傳輸的應用，例如文件傳輸

2. 總結

• TCP向上層提供面向連接的可靠服務 ，UDP向上層提供無連接不可靠服務。
• 雖然 UDP 并沒有 TCP 傳輸來的準確，但是也能在很多實時性要求高的地方有所作為
• 對數據準確性要求高，速度可以相對較慢的，可以選用TCP