TCP和UDP

风华笔墨，后庭尘埃。便天光云影，不与徘徊。纵三千里河山，亦四十年蓬莱。青丝染霜，镜鸾沉彩。

TCP（传输控制协议）

• 传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
• TCP是一种面向广域网的通信协议，目的是在跨越多个网络通信时，为两个通信端点之间提供一条可靠通信方式。

TCP 特点

1. 基于流的方式
2. 面向连接
3. 可靠通信方式
4. 在网络状况不佳的时候尽量降低系统由于重传带来的带宽开销
5. 通信连接维护是面向通信的两个端点的，而不考虑中间网段和节点

TCP 协议规定

1. 数据分片：在发送端对用户数据进行分片，在接收端进行重组，由TCP确定分片的大小并控制分片和重组。
2. 到达确认：接收端接收到分片数据时，根据分片数据序号向发送端发送一个确认。
3. 超时重发：发送方在发送分片时启动超时定时器，如果在定时器超时之后没有收到相应的确认，重发分片。
4. 滑动窗口：TCP连接每一方的接收缓冲空间大小都固定，接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，TCP在滑动窗口的基础上提供流量控制，防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。
5. 失序处理：作为IP数据报来传输的TCP分片到达时可能会失序，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。
6. 重复处理：作为IP数据报来传输的TCP分片会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。
7. 数据校验：TCP将保持它首部和数据的检验和，这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到分片的检验和有差错，TCP将丢弃这个分片，并不确认收到此报文段导致对端超时并重发。

TCP 拥塞控制算法

1. 慢启动

• 每当建立一个TCP连接时或一个TCP连接发生超时重传后，该连接便进入慢启动阶段。进入慢启动后，TCP实体将拥塞窗口的大小初始化为一个报文段，即：cwnd=1。此后，每收到一个报文段的确认（ACK），cwnd值加1，即拥塞窗口按指数增加。当cwnd值超过慢启动阐值（ssthresh）或发生报文段丢失重传时，慢启动阶段结束。前者进入拥塞避免阶段，后者重新进入慢启动阶段。

2. 拥塞避免

• 在慢启阶段，当cwnd值超过慢启动阐值（ssthresh）后，慢启动过程结束，TCP连接进入拥塞避免阶段。在拥塞避免阶段，每一次发送的cwnd个报文段被完全确认后，才将cwnd值加1。在此阶段，cwnd值线性增加。

3. 快速重传

• 快速重传是对超时重传的改进。当源端收到对同一个报文的三个重复确认时，就确定一个报文段已经丢失，因此立刻重传丢失的报文段，而不必等到重传定时器（RTO）超时。以此减少不必要的等待时间。

4. 快速恢复

• 快速恢复是对丢失恢复机制的改进。在快速重传之后，不经过慢启动过程而直接进入拥塞避免阶段。每当快速重传后，置ssthresh=cwnd/2、ewnd=ssthresh+3。此后，每收到一个重复确认，将cwnd值加1，直至收到对丢失报文段和其后若干报文段的累积确认后，置cwnd=ssthresh，进入拥塞避免阶段。

TCP 建立连接

• TCP是因特网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK，并最终对对方的 SYN 执行 ACK 确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接，TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。

1. 客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。
2. 服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （SEQ=y）ACK（ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。
3. 客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK（ACK=y+1）报文，进入Established状态。

• 三次握手完成，TCP客户端和服务器端成功地建立连接，可以开始传输数据了。

TCP 断开连接

• 建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次挥手，这是由TCP的半关闭（half-close）造成的。

1. 某个应用进程首先调用close，称该端执行“主动关闭”（active close）。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。
2. 接收到这个FIN的对端执行 “被动关闭”（passive close），这个FIN由TCP确认。
3. 一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。
4. 接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。

UDP (用户数据报协议)

• UDP 为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的 IP 数据包的方法。音频和多媒体应用，使用UDP是最好的选择。

UDP 特点

1. UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。
2. UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包而言UDP的额外开销很小。
3. 吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。
4. UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。

UDP 使用场景

• 在网络质量令人十分不满意的环境下，UDP协议数据包丢失会比较严重。但是由于UDP的特性：它不属于连接型协议，因而具有资源消耗小，处理速度快的优点，所以通常音频、视频和普通数据在传送时使用UDP较多，因为它们即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。比如我们聊天用的QQ就是使用的UDP协议。

TCP和UDP的区别

1. TCP是面向连接的，而UDP是面向无连接的。
2. TCP仅支持单播传输，UDP 提供了单播，多播，广播的功能。
3. TCP的三次握手保证了连接的可靠性; UDP是无连接的、不可靠的一种数据传输协议，首先不可靠性体现在无连接上，通信都不需要建立连接，对接收到的数据也不发送确认信号，发送端不知道数据是否会正确接收。
4. UDP的头部开销比TCP的更小，数据传输速率更高，实时性更好。