TCP和UDP详解

2021-12-30 18:35:04 浏览数 (1)

TCP与UDP

  • 前言
  • TCP与UDP的特点
    • UDP特点
    • TCP特点
  • TCP与UDP的优缺点
    • UDP优缺点
    • TCP优缺点
  • TCP与UDP的应用场景
    • UDP应用场景
    • TCP应用场景
  • TCP与UDP的区别
  • TCP 的三次握手
    • 为什么三次
  • TCP 的四次挥手
    • 为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？
  • TCP 短连接和长连接的区别
    • 短连接
    • 长连接
  • TCP粘包、拆包及解决办法
    • 什么是粘包、拆包？
    • 为什么会发生TCP粘包、拆包？
    • 粘包、拆包解决办法
    • 为什么常说TCP有粘包和拆包的问题而不说UDP？
  • TCP 可靠传输
  • TCP 流量控制
  • TCP 拥塞控制
    • TCP怎么解决拥塞控制
    • 拥塞窗口与发送方窗口的区别
  • 提供网络利用率

前言

网络层只把分组发送到目的主机，但是真正通信的并不是主机而是主机中的进程。传输层提供了进程间的逻辑通信，传输层向高层用户屏蔽了下面网络层的核心细节，使应用程序看起来像是在两个传输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。

TCP与UDP的特点

UDP特点

用户数据报协议 UDP（User Datagram Protocol）：是无连接的，尽最大可能交付，没有拥塞控制，面向报文（对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分，只是添加 UDP 首部），支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

TCP特点

传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）：是面向连接的，提供可靠交付，有流量控制，拥塞控制，提供全双工通信，面向字节流（把应用层传下来的报文看成字节流，把字节流组织成大小不等的数据块），每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。

TCP与UDP的优缺点

UDP优缺点

优点：简单、传输快

  • 网速的提升给UDP的稳定性提供可靠网络保障，丢包率很低，如果使用应用层重传，能够确保传输的可靠性。
  • TCP为了实现网络通信的可靠性，使用了复杂的拥塞控制算法，建立了繁琐的握手过程，由于TCP内置的系统协议栈中，极难对其进行改进。采用TCP，一旦发生丢包，TCP会将后续的包缓存起来，等前面的包重传并接收到后再继续发送，延时会越来越大，基于UDP对实时性要求较为严格的情况下，采用自定义重传机制，能够把丢包产生的延迟降到最低，尽量减少网络问题对游戏性造成影响。

缺点：不可靠，不稳定；

TCP优缺点

优点：可靠 稳定

  • TCP的可靠体现在TCP在传输数据之前，会有三次握手来建立连接，而且在数据传递时，有确认. 窗口. 重传. 拥塞控制机制，在数据传完之后，还会断开来连接用来节约系统资源。

缺点：慢，效率低，占用系统资源高，易被攻击

TCP与UDP的应用场景

UDP应用场景

UDP应用场景：

  • 面向数据报方式
  • 网络数据大多为短消息
  • 拥有大量Client
  • 对数据安全性无特殊要求
  • 网络负担非常重，但对响应速度要求高

TCP应用场景

TCP应用场景：

  • 当对网络质量有要求时，比如HTTP，HTTPS，FTP等传输文件的协议；POP，SMTP等邮件传输的协议

TCP与UDP的区别

  • TCP是面向连接的协议，而UDP是无连接的协议。即TCP面向连接;UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接
  • TCP 提供交付保证（Tcp通过校验和，重传控制，序号标识，滑动窗口、确认应答实现可靠传输），无差错，不丢失，不重复，且按序到达，也保证了消息的有序性。该消息将以从服务器端发出的同样的顺序发送到客户端，尽管这些消息到网络的另一端时可能是无序的。 TCP协议将会为你排好序。 UDP不提供任何有序性或序列性的保证。UDP尽最大努力交付，数据包将以任何可能的顺序到达。 TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道。UDP则是不可靠信道
  • UDP具有较好的实时性，工作效率比TCP高，适用于对高速传输和实时性有较高的通信或广播通信
  • TCP首部开销20字节; UDP的首部开销小，只有8个字节
  • TCP速度比较慢，而UDP速度比较快，因为TCP必须创建连接，以保证消息的可靠交付和有序性，毕竟TCP协议比UDP复杂
  • UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）
  • TCP面向字节流，实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流; UDP是面向报文的
  • TCP对系统资源要求较多，UDP对系统资源要求较少。 TCP被认为是重量级的协议，而与之相比，UDP协议则是一个轻量级的协议。因为UDP传输的信息中不承担任何间接创造连接，保证交货或秩序的的信息。这也反映在用于承载元数据的头的大小
  • 每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信 。基于UDP不需要建立连接，所以且适合多播的环境，UDP是大量使用在游戏和娱乐场所

TCP 的三次握手

假设 A 为客户端，B 为服务器端。 首先 B 处于 LISTEN（监听）状态，等待客户的连接请求。 A 向 B 发送连接请求报文，SYN=1，ACK=0，选择一个初始的序号 x。 B 收到连接请求报文，如果同意建立连接，则向 A 发送连接确认报文，SYN=1，ACK=1，确认号为 x 1，同时也选择一个初始的序号 y。 A 收到 B 的连接确认报文后，还要向 B 发出确认，确认号为 y 1，序号为 x 1。 B 收到 A 的确认后，连接建立。

为什么三次

第三次握手是为了防止失效的连接请求到达服务器，让服务器错误打开连接。 换个易于理解的视角来看为什么要 3 次握手。 客户端和服务端通信前要进行连接，“3次握手”的作用就是双方都能明确自己和对方的收、发能力是正常的。

  • 第一次握手：客户端发送网络包，服务端收到了。这样服务端就能得出结论：客户端的发送能力、服务端的接收能力是正常的。
  • 第二次握手：服务端发包，客户端收到了。这样客户端就能得出结论：服务端的接收、发送能力，客户端的接收、发送能力是正常的。从客户端的视角来看，我接到了服务端发送过来的响应数据包，说明服务端接收到了我在第一次握手时发送的网络包，并且成功发送了响应数据包，这就说明，服务端的接收、发送能力正常。而另一方面，我收到了服务端的响应数据包，说明我第一次发送的网络包成功到达服务端，这样，我自己的发送和接收能力也是正常的。
  • 第三次握手：客户端发包，服务端收到了。这样服务端就能得出结论：客户端的接收、发送能力，服务端的发送、接收能力是正常的。第一、二次握手后，服务端并不知道客户端的接收能力以及自己的发送能力是否正常。 而在第三次握手时，服务端收到了客户端对第二次握手作的回应。从服务端的角度，我在第二次握手时的响应数据发送出去了，客户端接收到了。所以，我的发送能力是正常的。而客户端的接收能力也是正常的。

经历了上面的三次握手过程，客户端和服务端都确认了自己的接收、发送能力是正常的。之后就可以正常通信了。 每次都是接收到数据包的一方可以得到一些结论，发送的一方其实没有任何头绪。我虽然有发包的动作，但是我怎么知道我有没有发出去，而对方有没有接收到呢？ 而从上面的过程可以看到，最少是需要三次握手过程的。两次达不到让双方都得出自己、对方的接收、发送能力都正常的结论。 其实每次收到网络包的一方至少是可以得到：对方的发送、我方的接收是正常的。而每一步都是有关联的，下一次的“响应”是由于第一次的“请求”触发，因此每次握手其实是可以得到额外的结论的。 比如第三次握手时，服务端收到数据包，表明看服务端只能得到客户端的发送能力、服务端的接收能力是正常的，但是结合第二次，说明服务端在第二次发送的响应包，客户端接收到了，并且作出了响应，从而得到额外的结论：客户端的接收、服务端的发送是正常的。

TCP 的四次挥手

为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？

  1. TCP连接是双向传输的对等的模式，就是说双方都可以同时向对方发送或接收数据。当有一方要关闭连接时，会发送指令告知对方，我要关闭连接了。
  2. 这时对方会回一个ACK，此时一个方向的连接关闭。但是另一个方向仍然可以继续传输数据，也就是说，服务端收到客户端的 FIN 标志，知道客户端想要断开这次连接了，但是，我服务端，我还想发数据呢？我等到发送完了所有的数据后，会发送一个 FIN 段来关闭此方向上的连接。接收方发送 ACK确认关闭连接。 注意，接收到FIN报文的一方只能回复一个ACK, 它是无法马上返回对方一个FIN报文段的，因为结束数据传输的“指令”是上层应用层给出的，我只是一个“搬运工”，我无法了解“上层的意志”。
  3. 客户端发送了 FIN 连接释放报文之后，服务器收到了这个报文，就进入了 CLOSE-WAIT 状态。这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据，传送完毕之后，服务器会发送 FIN 连接释放报文。
  4. 因为服务端在 LISTEN 状态下，收到建立连接请求的 SYN 报文后，把 ACK 和 SYN 放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的 FIN 报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方是否现在关闭发送数据通道，需要上层应用来决定，因此，己方 ACK 和 FIN 一般都会分开发。

TCP 短连接和长连接的区别

短连接

短连接： Client 向 Server 发送消息，Server 回应 Client，然后一次读写就完成了，这时候双方任何一个都可以发起 close 操作，不过一般都是 Client 先发起 close 操作。短连接一般只会在 Client/Server 间传递一次读写操作。 短连接的优点：管理起来比较简单，建立存在的连接都是有用的连接，不需要额外的控制手段。

长连接

长连接： Client 与 Server 完成一次读写之后，它们之间的连接并不会主动关闭，后续的读写操作会继续使用这个连接。 在长连接的应用场景下，Client 端一般不会主动关闭它们之间的连接，Client 与 Server 之间的连接如果一直不关闭的话，随着客户端连接越来越多，Server 压力也越来越大，这时候 Server 端需要采取一些策略，如关闭一些长时间没有读写事件发生的连接，这样可以避免一些恶意连接导致 Server 端服务受损；如果条件再允许可以以客户端为颗粒度，限制每个客户端的最大长连接数，从而避免某个客户端连累后端的服务。 长连接和短连接的产生在于 Client 和 Server 采取的关闭策略，具体的应用场景采用具体的策略。

TCP粘包、拆包及解决办法

什么是粘包、拆包？

假设 Client 向 Server 连续发送了两个数据包，用 packet1 和 packet2 来表示，那么服务端收到的数据可以分为三种情况，现列举如下：

  • 第一种情况，接收端正常收到两个数据包，即没有发生拆包和粘包的现象。
  • 第二种情况，接收端只收到一个数据包，但是这一个数据包中包含了发送端发送的两个数据包的信息，这种现象即为粘包。这种情况由于接收端不知道这两个数据包的界限，所以对于接收端来说很难处理。
  • 第三种情况，这种情况有两种表现形式，如下图。接收端收到了两个数据包，但是这两个数据包要么是不完整的，要么就是多出来一块，这种情况即发生了拆包和粘包。这两种情况如果不加特殊处理，对于接收端同样是不好处理的。

为什么会发生TCP粘包、拆包？

要发送的数据大于 TCP 发送缓冲区剩余空间大小，将会发生拆包。 待发送数据大于 MSS（最大报文长度），TCP 在传输前将进行拆包。 要发送的数据小于 TCP 发送缓冲区的大小，TCP 将多次写入缓冲区的数据一次发送出去，将会发生粘包。 接收数据端的应用层没有及时读取接收缓冲区中的数据，将发生粘包。

粘包、拆包解决办法

由于 TCP 本身是面向字节流的，无法理解上层的业务数据，所以在底层是无法保证数据包不被拆分和重组的，这个问题只能通过上层的应用协议栈设计来解决，根据业界的主流协议的解决方案，归纳如下：

  • 消息定长：发送端将每个数据包封装为固定长度（不够的可以通过补 0 填充），这样接收端每次接收缓冲区中读取固定长度的数据就自然而然的把每个数据包拆分开来。
  • 设置消息边界：服务端从网络流中按消息边界分离出消息内容。在包尾增加回车换行符进行分割，例如 FTP 协议。
  • 将消息分为消息头和消息体：消息头中包含表示消息总长度（或者消息体长度）的字段。

更复杂的应用层协议比如 Netty 中实现的一些协议都对粘包、拆包做了很好的处理。

为什么常说TCP有粘包和拆包的问题而不说UDP？

由前两节可知，UDP 是基于报文发送的，UDP首部采用了 16bit 来指示 UDP 数据报文的长度，因此在应用层能很好的将不同的数据报文区分开，从而避免粘包和拆包的问题。 而 TCP 是基于字节流的，虽然应用层和 TCP 传输层之间的数据交互是大小不等的数据块，但是 TCP 并没有把这些数据块区分边界，仅仅是一连串没有结构的字节流；另外从 TCP 的帧结构也可以看出，在 TCP 的首部没有表示数据长度的字段，基于上面两点，在使用 TCP 传输数据时，才有粘包或者拆包现象发生的可能。

TCP 可靠传输

TCP 使用超时重传来实现可靠传输：如果一个已经发送的报文段在超时时间内没有收到确认，那么就重传这个报文段。 一个报文段从发送再到接收到确认所经过的时间称为往返时间 RTT，加权平均往返时间 RTTs 计算如下： 其中，0 ≤ a ＜ 1，RTTs 随着 a 的增加更容易受到 RTT 的影响。超时时间 RTO 应该略大于 RTTs，TCP 使用的超时时间计算如下： 其中 RTTd 为偏差的加权平均值。

TCP 流量控制

流量控制是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收。 接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0，则发送方不能发送数据。 实际上，为了避免此问题的产生，发送端主机会时不时的发送一个叫做窗口探测的数据段，此数据段仅包含一个字节来获取最新的窗口大小信息。

TCP 拥塞控制

如果网络出现拥塞，分组将会丢失，此时发送方会继续重传，从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时，应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像，但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接收，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。

TCP怎么解决拥塞控制

TCP 主要通过四个算法来进行拥塞控制：

  • 慢开始
  • 拥塞避免
  • 快重传
  • 快恢复

拥塞窗口与发送方窗口的区别

拥塞窗口只是一个状态变量，实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。

提供网络利用率

  • Nagle 算法 发送端即使还有应该发送的数据，但如果这部分数据很少的话，则进行延迟发送的一种处理机制。具体来说，就是仅在下列任意一种条件下才能发送数据。如果两个条件都不满足，那么暂时等待一段时间以后再进行数据发送。 已发送的数据都已经收到确认应答。 可以发送最大段长度的数据时。
  • 延迟确认应答 接收方收到数据之后可以并不立即返回确认应答，而是延迟一段时间的机制。 在没有收到 2*最大段长度的数据为止不做确认应答。 其他情况下，最大延迟 0.5秒 发送确认应答。 TCP 文件传输中，大多数是每两个数据段返回一次确认应答。
  • 捎带应答 在一个 TCP 包中既发送数据又发送确认应答的一种机制，由此，网络利用率会提高，计算机的负荷也会减轻，但是这种应答必须等到应用处理完数据并将作为回执的数据返回为止。
udp

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