计算机网络：运输层 —— TCP/IP运输层中的两个重要协议

我们来简单介绍一下 TCP/IP 运输层中的两个重要协议—— TCP 协议 与 UDP 协议

TCP 协议

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层（运输层）通信协议。

主要特点：

• 可靠性高：
  • 序列号与确认应答：发送数据时，TCP 会为每个字节的数据都进行编号，即序列号。接收方收到数据后，会返回一个确认应答，告知发送方已成功接收的数据的序列号。通过这种方式，发送方可以确认数据是否被正确接收，如果在一定时间内没有收到确认应答，就会认为数据丢失并进行重传。
  • 校验和：TCP 在发送和接收数据时都会计算校验和。校验和是根据数据内容计算出的一个数值，用于检测数据在传输过程中是否发生错误。如果接收方计算出的校验和与发送方发送的校验和不一致，就会丢弃该数据，并通知发送方重传。
• 面向连接：在数据传输之前，需要先建立 TCP 连接。这个连接是双向的，一旦连接建立，就可以在连接上进行可靠的数据传输。连接的建立通过三次握手过程实现，连接的释放通过四次挥手过程完成。
• 流量控制：TCP 使用滑动窗口机制进行流量控制。接收方会告知发送方自己的接收窗口大小，发送方根据这个窗口大小来控制发送数据的速度，确保不会发送过多的数据导致接收方无法处理。
• 拥塞控制：TCP 具有拥塞控制机制，用于避免网络拥塞。当网络拥塞时，TCP 会减少发送数据的速度；当网络状况好转时，再逐渐增加发送速度。拥塞控制算法主要包括慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等部分。

TCP 协议具有可靠传输、面向连接等特点，适用于对数据传输可靠性要求较高的应用场景，如文件传输、电子邮件、网页浏览等。

工作方式

建立连接（三次握手）

• 第一次握手：客户端向服务器发送一个 SYN 报文（同步报文段），请求建立连接。此时客户端进入 SYN_SENT 状态。
• 第二次握手：服务器收到客户端的 SYN 报文后，会向客户端发送一个 SYN + ACK 报文（同步确认报文段），表示收到了客户端的请求，并同意建立连接。此时服务器进入 SYN_RECV 状态。
• 第三次握手：客户端收到服务器的 SYN + ACK 报文后，会向服务器发送一个 ACK 报文（确认报文段），确认收到了服务器的 SYN 报文。此时客户端和服务器进入 ESTABLISHED 状态，连接建立成功，可以开始传输数据。

释放连接（四次挥手）

• 第一次挥手：主动关闭方（通常是客户端）发送一个 FIN 报文（结束报文段），表示不再发送数据，请求关闭连接。此时主动关闭方进入 FIN_WAIT_1 状态。
• 第二次挥手：被动关闭方（通常是服务器）收到 FIN 报文后，会发送一个 ACK 报文，确认收到了主动关闭方的关闭请求。此时被动关闭方进入 CLOSE_WAIT 状态，主动关闭方进入 FIN_WAIT_2 状态。
• 第三次挥手：被动关闭方处理完剩余的数据后，也会发送一个 FIN 报文，请求关闭连接。此时被动关闭方进入 LAST_ACK 状态。
• 第四次挥手：主动关闭方收到被动关闭方的 FIN 报文后，会发送一个 ACK 报文，确认收到了被动关闭方的关闭请求。此时主动关闭方进入 TIME_WAIT 状态，等待一段时间后（通常为 2 倍的报文最大生存时间 MSL），进入 CLOSED 状态，被动关闭方收到 ACK 报文后，也进入 CLOSED 状态，连接彻底关闭。

首部格式

• 源端口和目的端口：各占 16 位，用于标识数据的发送方和接收方的应用程序进程。
• 序列号：32 位，用于对发送的数据字节进行编号，确保数据的顺序。
• 确认应答号：32 位，是接收方期望收到的下一个数据的序列号，用于确认数据的接收。
• 数据偏移：4 位，指示 TCP 首部的长度，单位是 4 字节。
• 标志位：共 6 位，包括 URG（紧急指针有效）、ACK（确认号有效）、PSH（推送功能）、RST（复位连接）、SYN（请求建立连接）、FIN（通知对方本端要关闭连接）。
• 窗口：16 位，用于表示接收方的接收窗口大小，即接收方能够接收的数据量。
• 校验和：16 位，用于检验数据的正确性。
• 紧急指针：16 位，只有在 URG（紧急指针有效）标志位被设置时才有意义，表示紧急数据的偏移量。

UDP 协议

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种无连接的、不可靠的传输层（运输层）协议。

主要特点：

1. 无连接

   • UDP 在通信之前不需要建立连接，直接将数据封装成 UDP 数据报进行发送。这就像发送一封普通的信件，不需要事先与收件人建立联系，直接投入邮筒即可。
   • 这种无连接的特性使得 UDP 通信非常快速和高效，适用于一些对实时性要求较高、但对数据可靠性要求相对较低的场景。

2. 不可靠传输

   • UDP 不保证数据一定能够到达目的地，也不进行数据的重传和确认。如果数据在传输过程中丢失或损坏，UDP 不会采取任何措施进行修复。
   • UDP 传输的数据可能会出现丢失、乱序、重复等问题。但对于一些实时性要求极高的应用，如视频会议、在线游戏等，偶尔的数据丢失并不会对用户体验产生太大影响，而快速的传输速度更为重要。

3. 面向数据报

   • UDP 是面向数据报的协议，即一次发送一个完整的数据报，接收方也一次接收一个完整的数据报。数据报之间是相互独立的，不存在像 TCP 那样的字节流概念。
   • 每个 UDP 数据报都有固定的长度限制，理论上最大长度为 65507 字节（65535 字节减去 UDP 首部的 8 字节和 IP 首部的 20 字节）。但在实际应用中，由于网络环境等因素的限制，通常不会发送这么大的数据报。

首部格式

1. 源端口号（16 位）：用于标识发送数据报的应用程序进程。
2. 目的端口号（16 位）：用于标识接收数据报的应用程序进程。
3. 长度（16 位）：指示 UDP 数据报的总长度，包括首部和数据部分。
4. 校验和（16 位）：用于检测 UDP 数据报在传输过程中是否出现错误。如果校验和计算结果为 0，则表示数据报没有错误；如果校验和不为 0，则表示数据报出现了错误，接收方可以选择丢弃该数据报。

适用场景

1. 实时多媒体应用：如视频会议、在线直播、语音通话等。这些应用对实时性要求非常高，不希望因为数据重传等机制而引入延迟。即使偶尔出现数据丢失，也不会对用户体验产生太大影响。

2. 多播和广播应用：UDP 支持多播和广播通信，可以将数据同时发送给多个接收者。这在一些需要进行大规模数据分发的场景中非常有用，如网络电视、在线游戏更新等。

3. 简单的请求 - 响应应用：对于一些简单的请求 - 响应式的应用，如域名系统（DNS）查询，UDP 可以快速地发送请求并接收响应，而不需要建立复杂的连接和进行可靠的数据传输。

TCP 与 UDP 的对比

无连接的UDP和面向连接的TCP

此处的连接指逻辑连接关系，而不是物理连接。

• UDP协议：

  • UDP 是一种无连接、不可靠的数据传输协议。
  • 在 UDP 中，发送方直接将数据包发送到接收方，中间没有建立连接的过程。
  • 数据传输过程中不会进行确认或重传机制，因此可能存在数据丢失的情况。

• TCP 协议：

  • TCP 是一种面向连接、可靠的传输协议。

  • 在 TCP 中，发送方与接收方之间需要先建立一个连接，这个过程称为“三报文握手”。

  • 建立连接后，基于 TCP 连接进行数据传输。TCP 会确保数据的可靠传输，包括错误检测、重传等机制。

  • 传输完成后，双方还需要通过“四报文挥手”来释放 TCP 连接。

对单播、多播和广播的支持情况

• UDP支持单播、多播和广播

• TCP仅支持单播（可靠通信）

对应用层报文的处理

UDP对应用进程交付下来的报文既不合并也不拆分，而是保留这些报文的边界。即，UDP是面向应用报文的。

TCP是面向字节流的

• 发送方的 TCP 把应用进程交付下来的应用报文仅仅看作一连串的，无结构的字节流， TCP 并不知道这些待传输的字节流的含义，仅将它们编号并存储在自己的发送缓存中。 TCP 根据发送策略，从发送缓存中提取一定数量的字节，并给其添加一个首部，使之成为TCP报文段并进行发送。

• 接收方的 TCP，一方面从所接收到的 TCP 报文段中，取出数据载荷并存储在接收缓存中，另一方面，将接收缓存中的一些字节向上交付给应用进程。

• TCP 不保证 接收方应用进程所接收到的数据块，与发送方应用进程所发出的应用层报文之间具有对应大小的关系。

例如，发送方应用进程交给发送方的 TCP 共 10 个应用层报文，但接受方的 TCP 可能只用了 4 个数据块，就把收到的字节流交付给了上层的应用进程，但接收方应用进程收到的字节流，必须和发送方应用进程发出的字节流完全一样。接收方的应用进程必须有能力识别收到的字节流，把它还原成有意义的应用层报文。

在实际网络中，基于 TCP 连接的两端，可以同时进行 TCP 报文段的发送和接收，也就是全双工通信。

对数据传输可靠性的支持情况

• UDP 不保证数据的顺序、完整性和到达情况。数据可能在网络中丢失、出现乱序或重复，接收方收到数据后不做任何处理，产生误码的数据直接丢弃。

• 对于 TCP，发送方和接收方之间需要建立连接，并且在传输结束后关闭连接。发送方通过 TCP 向接收方发送数据，TCP 协议负责处理数据的排序、重发和流量控制，提供可靠的数据传输，确保数据的完整。

UDP首部和TCP首部的对比

UDP TCP常用端口

端口号	协议	说明
21	TCP	FTP服务器所开放的端口，用于上传、下载
22	TCP	PcAnywhere建立的TCP连接的端口
23	TCP	Telnet远程登录TCP连接的端口
25	TCP	SMTP服务器所开放的端口，用于发送邮件
53	TCP	DNS服务器所开放的端口
80	TCP	HTTP端口，用于网页浏览
137	UDP	NetBios命名服务
138	UDP	NetBios数据报服务
139	TCP	NetBios会话服务，当通过网上邻居传输文件时用137、138和139端口
161	UDP	简单网络管理协议SNMP
443	TCP/UDP	HTTPS网页浏览端口，提供加密和安全传输
1433	TCP	SQL Server数据库服务器开放的端口

原文地址：https://blog.csdn.net/Zachyy/article/details/143613839

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