计算机网络——TCP和UDP协议
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前言
本博客是博主用于复习计算机网络的博客，如果疏忽出现错误，还望各位指正。
这篇博客是在B站掌芝士zzs这个UP主的视频的总结，讲的非常好。
可以先去看一篇视频，再来参考这篇笔记（或者说直接偷走）。
一条视频讲清楚TCP协议与UDP协议-什么是三次握手与四次挥手_哔哩哔哩_bilibili
前篇
引言
对于TCP协议和UDP协议大家应该都有所耳闻。我们常用的网络通讯，比如浏览网页、软件、聊天以及你现在正在收看的视频，都是通过这两种协议来进行数据传输的。到底他们是如何工作的这两种协议又有什么区别呢？
TCP与UDP之间的区别
TCP协议和UDP协议都工作在传输层，他们的目标都是在程序之间传输数据，数据可以是文本文件，可以是视频，也可以是图片。对于TCP协议和UDP协议来说都是一堆二进制数，并没有多大的区别。
最大的区别是一个基于连接，一个基于非连接。
具体是什么意思？
举一个简单的例子。
如果把人与人的通信比喻为进程与进程的通信，我们基本有两种方式。
第一种方式是写信，第二种方式是打电话。
如果不考虑速度因素，这两种方式之间最大的区别是什么？
就是信寄出去之后，对方是否能收到，以及收到的信内容是否完整，先后寄两封信过去是否按照顺序接收，都变成了未知数，甚至你填写的收信地址和收信人是否存在，你都无法确认。
而打电话则不同，从拨打电话到对方接通互相通话，再到结束通话后挂断，这一系列的流程都能得到及时的反馈，并且能确认对方准确的接收到。
打电话是基于连接的，也就是TCP，而写信就是基于非连接的，就是UDP。
TCP是如何保证以上过程的有三个关键的步骤，分别为三次握手、传输确认、四次挥手。
TCP
三次握手
三次握手是建立连接的过程。
- 当客户端向服务端发起连接时会先发一包连接请求数据过去，询问一下能否与你建立连接。这包数据我们称之为SYN同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）
- 如果对端同意连接，则回复一包SYN+ACK包。
- 客户端收到之后回复一包ACK包（Acknowledge character）确认字符，连接建立。
因为这个过程中互相发送了三包数据，所以称之为三次握手。
为什么要三次握手而不是两次握手？
为什么不服务端回复完SYN+ACK之后就建立连接？
这是为了防止因为已失效的请求报文突然又传到服务器引起错误。
假设采用两次握手建立连接，客户端向服务端发送了一个SYN包来请求建立连接，因为某些未知的原因并没有到达服务器，在中间某个网络节点产生了滞留。
为了建立连接，客户端会重发赠包。这次的数据包正常送达，服务端回复SYN+ACK后建立起了连接。
但是第一包数据阻塞的网络节点突然恢复，第一包送包又送达到服务端。
这时服务端会误认为是客户端又发起了一个新的连接，从而在两次握手之后进入等待数据状态。
服务端认为是两个连接，而客户端认为是一个连接，造成的状态不一致。
如果在三次握手的情况下，服务端收不到最后的ACK包，自然不会认为连接建立成功。
所以三次握手本质上来说就是为了解决网络信道不可靠的问题。
为了能够在不可靠的信道上建立起可靠的软件。经过三次握手之后，客户端和服务端都进入了数据传输状态。TCP协议需要在不可靠的信道上保证可靠的连接。
丢包问题与乱序问题的解决
现在就有几个问题需要面对
- 一包数据有可能会被拆成多包发送，如何处理丢包问题？
- 这些数据包到达的先后顺序不同，如何处理乱序问题？
针对这些要求，TCP协议为每一个连接建立了一个发送缓冲区。
从建立连接后的第一个字节的序列号为零，后面每个字节的序列号就会增加。1，2，3，4……
发送数据时，从发送缓冲区取一部分数据组成发送报文，在其TCP协议头中会附带序列号和长度。
接收端在收到数据后需要回复确认报文，确认报文中的ACK等于接收序列号加长度，也就是下一包数据需要发送的起始序列号（序列号+长度）。
这样一问一答的发送方式，能够使发送端确认发送的数据已经被对方收到。
发送端也可以一次发送连续的多报数据，接收端只需要回复一次ACK就可以了。
这样发送端可以把待发送的数据分割成一系列的碎片发送到对端。
对端根据序列号和长度在接收后重构出来完整的数据。假设其中丢失了某些数据包，在接收端可以要求发送端重传。
比如丢失了100到199这100个字节，接收端向发送端发送X等于100的报文，发送端收到后重传这一包数据，接收端进行补齐。
以上过程不区分客户端和服务端，TCP连接是全双工的，对于两端来说均采用上述机制。
四次挥手
处于连接状态的客户端和服务端都可以发起关闭连接请求，需要四次挥手来进行连接关闭。
假设客户端主动发起连接关闭请求，他需要将服务端发起一包FIN包，表示要关闭连接，自己进入终止等待一状态。这是第一次挥手。
服务端收到FIN包发送一包ACK包，表示自己进入了关闭等待状态，客户端进入终止等待二状态。这是第二次挥手。
服务端此时还可以发送未发送的数据，而客户端还可以接收数据，待服务端发送完数据之后，发送一包FIN包，进入最后确认状态。这是第三次挥手。
客户端收到之后回复ACK包进入超时等待状态，经过超时时间后关闭连接。
而服务端收到ACK包后立即关闭连接，这是第四次挥手。
为什么客户端需要等待超时时间？
这是为了保证对方已收到ACK包。
因为假设客户端发送完最后一包ACK包后就释放了连接。一旦ACK包在网络中丢失，服务端将一直停留在最后确认状态。
如果客户端发送最后一包ACK包后等待一段时间，服务端还没有接收到，这时服务端因为没有收到ACK包会重发FIN包，客户端会响应这个FIN包重发ACK包并刷新超时时间。
这个机制跟三次握手一样，也是为了保证在不可靠的网络链路中进行可靠的连接断开确认。
UDP协议
首先UDP协议是基于非连接的发送数据，就是简单的把数据包封装一下，然后从网卡发出去就可以。
数据包之间并没有状态上的联系。
正因为UDP这种简单的处理方式，导致它的性能损耗非常少，对于CPU内存资源的占用也远小于TCP。但是对于网络传输过程中产生的丢包，UDP协议并不能保证。
所以UDP在传输稳定性上要弱于TCP。
TCP和UDP的主要区别
TCP传输数据稳定可靠，适用于对网络通讯质量要求较高的场景，需要准确无误的传输给对方，比如传输文件、发送邮件、浏览网页等。
UDP的优点是速度快，但是可能产生丢包，所以适用于对实时性要求较高，但是对少量丢包并没有太大要求的场景，比如域名查询、语音通话、视频直播等。
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