TCP与UDP的区别

一、TCP/IP 模型

在介绍TCP和UDP协议之前，有必要先了解下TCP/IP模型，TCP/IP中的两个具有代表性的传输协议：TCP和UDP。
TCP/IP 是互联网相关的各类协议族的总称，比如：TCP，UDP，IP，FTP，HTTP，ICMP，SMTP 等都属于 TCP/IP 族内的协议。
TCP/IP模型是互联网的基础，它是一系列网络协议的总称。这些协议可以划分为四层，分别为链路层、网络层、传输层和应用层。

• 链路层：负责封装和解封装IP报文，发送和接受ARP/RARP报文等。
• 网络层：负责路由以及把分组报文发送给目标网络或主机。
• 传输层：负责对报文进行分组和重组，并以TCP或UDP协议格式封装报文。

• 应用层：负责向用户提供应用程序。比如HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

  
  TCP:IP.png
  

  在网络体系结构中网络通信的建立必须是在通信双方的对等层进行，不能交错。在整个数据传输过程中，数据在发送端时经过各层时都要附加上相应层的协议头和协议尾（仅数据链路层需要封装协议尾）部分，也就是要对数据进行协议封装，以标识对应层的通信协议。

二、TCP和UDP的简介

1、TCP

TCP协议全称是传输控制协议，是一种面向连接、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。流就是指不间断的数据结构，可以想象成水管中的水流。

TCP 在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连接。TCP 不提供广播或多播服务。由于 TCP 要提供可靠的，面向连接的运输服务（TCP 的可靠体现在 TCP 在传递数据之前，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，在数据传完后，还会断开连接用来节约系统资源），这难以避免增加了许多开销，如确认，流量控制，计时器以及连接管理等。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多处理机资源。

a. TCP连接过程（三次握手）

最初客户端和服务端都处于CLOSED（关闭）状态，客户端主动打开连接，服务端被动打开连接。

• 第一次握手：客户端向服务端发送连接请求报文段。该报文段包含自身的数据通讯初始序号，请求发送后，客户端便进入SYN-SENT状态。
• 第二次握手：服务端收到连接请求报文段后，如果同意连接，则会发送一个应答，该应答中也会包含自身的数据通讯初始序号，发送完成后便进入SYN-RECEIVED状态。
• 第三次握手：当客户端收到连接同意的应答后，还要向服务器发送一个确认报文，客户端发送完这个报文段后便进入ESTABLISHED状态，服务端收到这个应答后也进入ESTABLISHED状态，此时连接建立成功。

为什么TCP建立连接需要三次握手？

--- 为了防止已经失效的连接请求又突然被服务端接收，从而产生错误。比如：A发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在网络结点时间长了，以致于延误到连接释放以后的某个时间段才到达B，但是B收到此失效的请求后，就误以为A又发出一次新的连接请求，于是就向A发出确认报文段，同意建立连接。
出现失效的连接请求报文段被服务端接收的情况，从而产生错误。

b. TCP断开连接（四次挥手）

• 第一次挥手
  若客户端 A 认为数据发送完成，则它需要向服务端 B 发送连接释放请求。
• 第二次挥手
  B 收到连接释放请求后，会告诉应用层要释放 TCP 链接。然后会发送 ACK 包，并进入 CLOSE_WAIT 状态，此时表明 A 到 B 的连接已经释放，不再接收 A 发的数据了。但是因为 TCP 连接是双向的，所以 B 仍旧可以发送数据给 A。
• 第三次挥手
  B 如果此时还有没发完的数据会继续发送，完毕后会向 A 发送连接释放请求，然后 B 便进入 LAST-ACK 状态。
• 第四次挥手
  A 收到释放请求后，向 B 发送确认应答，此时 A 进入 TIME-WAIT 状态。该状态会持续 2MSL（最大段生存期，指报文段在网络中生存的时间，超时会被抛弃） 时间，若该时间段内没有 B 的重发请求的话，就进入 CLOSED 状态。当 B 收到确认应答后，也便进入 CLOSED 状态。

c. TCP协议的特点

• 面向连接
  面向连接，是指发送数据之前必须在两端建立连接。建立连接的方法是“三次握手”，这样能建立可靠的连接。建立连接，是为数据的可靠传输打下了基础。
• 仅支持单向传输
  每条TCP传输连接只能有两个端点，只能进行点对点的数据传输，不支持多播和广播传输方式。
• 面向字节流
  TCP不像UDP一样那样一个个报文独立地传输，而是在不保留报文边界的情况下以字节流方式进行传输。
• 可靠传输
  对于可靠传输，判断丢包，误码靠的是TCP的段编号以及确认号。TCP为了保证报文传输的可靠，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认(ACK)；如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传。
• 提供拥塞控制
  当网络出现拥塞的时候，TCP能够减小向网络注入数据的速率和数量，缓解拥塞
• TCP提供全双工通信
  TCP允许通信双方的应用程序在任何时候都能发送数据，因为TCP连接的两端都设有缓存，用来临时存放双向通信的数据。当然，TCP可以立即发送一个数据段，也可以缓存一段时间以便一次发送更多的数据段（最大的数据段大小取决于MSS）

2、UDP

UDP协议全称是用户数据报协议，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议。在OSI模型中，在第四层——传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。

UDP在传送数据之前不需要建立连接，远地主机在收到UDP报文后，不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付，但在某些情况下，UDP却是最有效的一种比如QQ语音、QQ视频、直播等即时通信应用。

UDP协议的特点

• 面向无连接
  首先 UDP 是不需要和 TCP一样在发送数据前进行三次握手建立连接的，想发数据就可以开始发送了。并且也只是数据报文的搬运工，不会对数据报文进行任何拆分和拼接操作。
  具体来说就是：
  在发送端，应用层将数据传递给传输层的 UDP 协议，UDP 只会给数据增加一个 UDP 头标识下是 UDP 协议，然后就传递给网络层了
  在接收端，网络层将数据传递给传输层，UDP 只去除 IP 报文头就传递给应用层，不会任何拼接操作
• 有单播，多播，广播的功能
  UDP 不止支持一对一的传输方式，同样支持一对多，多对多，多对一的方式，也就是说 UDP 提供了单播，多播，广播的功能。
• 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IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。因此，应用程序必须选择合适大小的报文
• 不可靠性
  首先不可靠性体现在无连接上，通信都不需要建立连接，想发就发，这样的情况肯定不可靠。
  并且收到什么数据就传递什么数据，并且也不会备份数据，发送数据也不会关心对方是否已经正确接收到数据了。
  再者网络环境时好时坏，但是 UDP 因为没有拥塞控制，一直会以恒定的速度发送数据。即使网络条件不好，也不会对发送速率进行调整。这样实现的弊端就是在网络条件不好的情况下可能会导致丢包，但是优点也很明显，在某些实时性要求高的场景（比如电话会议）就需要使用 UDP 而不是 TCP。
• 头部开销小，传输数据报文时是很高效的。
  UDP 头部包含了以下几个数据：

• 两个十六位的端口号，分别为源端口（可选字段）和目标端口
• 整个数据报文的长度
• 整个数据报文的检验和（IPv4 可选 字段），该字段用于发现头部信息和数据中的错误

因此 UDP 的头部开销小，只有八字节，相比 TCP 的至少二十字节要少得多，在传输数据报文时是很高效的

三、区别

1、连接的区别
TCP面向连接，即发送数据之前先建立连接。
UDP是无连接的，即发送数据之前是不需要建立连接的。
2、安全方面的区别
TCP是全双工的可靠通信，提供可靠的服务，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达。使用流量控制和拥塞控制。
UDP是不可靠传输，尽最大努力交付，即不保证可靠交付。
3、传输效率的区别
TCP传输效率较低。
UDP传输效率高，适用于对高速传输和实时性有较高要求的通信或广播通信。
4、连接对象数量的区别
TCP连接只能是点到点，一对一的。
UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信。
5、传输方式的区别
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。适用于要求可靠传输的应用比如文件传输等。
UDP面向报文，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，对实时应用很有用比如实时视频会议等。
6、首部开销
TCP首部开销最小20字节，最大60字节。
UDP首部开销小，只有8个字节。

我们可以把发送端和接收端比作河流的两端，把传输的数据包比作运送的石料。
TCP是先搭桥，即建立连接，再一车一车的运（面向数据流），确保可以顺利到达对岸，当遇到桥上运输车辆较多时可以自行控制快慢（拥塞控制）。
UDP 则是靠手一个一个的扔（即无连接，基于数据报），不管货物能否顺利到达对岸，也不关心扔的快慢频率。