TCP 和 UDP

TCP/IP五層網絡結構模型

• 物理層：物理層創建在物理通訊介質的基礎上，做爲系統和通訊介質的接口，用來實現數據鏈路實體間透明的比特 (bit) 流傳輸。只有該層爲真實物理通訊，其它各層爲虛擬通訊

• 數據鏈路層:在物理層提供比特流服務的基礎上，創建相鄰結點之間的數據鏈路，經過差錯控制提供數據幀（Frame）在信道上無差錯的傳輸，並進行各電路上的動做系列。數據的單位稱爲幀（frame）

• 網絡層：選擇合適的路由，使數據分組（packet）能夠交付到目的主機

• 傳輸層：負責主機中進程間的通訊

• 應用層：直接爲用戶的應用程序提供服務

UDP詳解

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用戶數據報協議（英語：User Datagram Protocol，縮寫爲UDP），又稱使用者資料包協定，是一個簡單的面向數據報的傳輸層協議，正式規範爲RFC 768。
在TCP/IP模型中，UDP爲網絡層以上和應用層如下提供了一個簡單的接口。UDP只提供數據的不可靠傳遞，它一旦把應用程序發給網絡層的數據發送出去，就不保留數據備份（因此UDP有時候也被認爲是不可靠的數據報協議）。UDP在IP數據報的頭部僅僅加入了複用和數據校驗（字段）。

UDP的優勢

• 無需創建鏈接（減小延遲）
• 實現簡單：無需維護鏈接狀態
• 頭部開銷小（最小值爲8byte）
• 沒有擁塞控制：應用能夠更好的控制發送時間和發送速率

UDP頭部：

UDP的頭部是由源端口號、目標端口號、包長和校驗4個部分組成，其中兩個是可選的。各16bit的來源端口和目的端口用來標記發送和接受的應用進程。由於UDP不須要應答，因此來源端口是可選的，若是來源端口不用，那麼置爲零。在目的端口後面是長度固定的以字節爲單位的長度域，用來指定UDP數據報包括數據部分的長度，長度最小值爲8byte。首部剩下地16bit是用來對首部和數據部分一塊兒作校驗和（Checksum）的，checksum主要是用來檢測UDP段在傳輸中是否發生了錯誤。還有就是，校驗和計算中也須要計算UDP僞頭部，僞頭部包含IP頭部的一些字段。咱們剛纔介紹了識別一個通訊須要5項信息，而UDP頭部只有端口號，餘下的三項在IP頭部，因此引入了僞頭部的概念。（IPv6的IP頭部沒有校驗和字段）

基於UDP協議的有：

• 域名系統（DNS）
• 簡單網絡管理協議（SNMP）
• 動態主機配置協議（DHCP）
• 路由信息協議（RIP）
• 自舉協議（BOOTP）
• 簡單文件傳輸協議（TFTP）

TCP詳解

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傳輸控制協議（英語：Transmission Control Protocol）是一種面向鏈接的、可靠的、基於字節流的傳輸層通訊協議，由IETF的RFC 793定義。
在因特網協議族（Internet protocol suite）中，TCP層是位於IP層之上，應用層之下的中間層。不一樣主機的應用層之間常常須要可靠的、像管道同樣的鏈接，可是IP層不提供這樣的流機制，而是提供不可靠的包交換。
應用層向TCP層發送用於網間傳輸的、用8位字節表示的數據流，而後TCP把數據流分區成適當長度的報文段（一般受該計算機鏈接的網絡的數據鏈路層的最大傳輸單元（MTU）的限制）。以後TCP把結果包傳給IP層，由它來經過網絡將包傳送給接收端實體的TCP層。TCP爲了保證不發生丟包，就給每一個包一個序號，同時序號也保證了傳送到接收端實體的包的按序接收。而後接收端實體對已成功收到的包發回一個相應的確認（ACK）；若是發送端實體在合理的往返時延（RTT）內未收到確認，那麼對應的數據包就被假設爲已丟失將會被進行重傳。TCP用一個校驗和函數來檢驗數據是否有錯誤；在發送和接收時都要計算校驗和

三次握手

TCP用三路握手（three-way handshake）過程建立一個鏈接。在鏈接建立過程當中，不少參數要被初始化，例如序號被初始化以保證按序傳輸和鏈接的強壯性。

• 客戶端經過向服務器端發送一個SYN來建立一個主動打開，做爲三路握手的一部分。客戶端把這段鏈接的序號設定爲隨機數A。
• 服務器端應當爲一個合法的SYN回送一個SYN/ACK。ACK的確認碼應爲A+1，SYN/ACK包自己又有一個隨機序號B。
• 最後，客戶端再發送一個ACK。當服務端受到這個ACK的時候，就完成了三路握手，並進入了鏈接建立狀態。此時包序號被設定爲收到的確認號A+1，而響應則爲B+1。

TCP狀態編碼

下表爲TCP狀態碼列表，以S指代服務器，C指代客戶端，S&C表示二者，S/C表示二者之一：[1]

• LISTEN S
  等待從任意遠程TCP端口的鏈接請求。偵聽狀態。
• SYN-SENT C
  在發送鏈接請求後等待匹配的鏈接請求。經過connect()函數向服務器發出一個同步（SYNC）信號後進入此狀態。
• SYN-RECEIVED S
  已經收到併發送同步（SYNC）信號以後等待確認（ACK）請求。
• ESTABLISHED S&C
  鏈接已經打開，收到的數據能夠發送給用戶。數據傳輸步驟的正常狀況。此時鏈接兩端是平等的。
• FIN-WAIT-1 S&C
  主動關閉端調用close（）函數發出FIN請求包，表示本方的數據發送所有結束，等待TCP鏈接另外一端的確認包或FIN請求包。
• FIN-WAIT-2 S&C
  主動關閉端在FIN-WAIT-1狀態下收到確認包，進入等待遠程TCP的鏈接終止請求的半關閉狀態。這時能夠接收數據，但再也不發送數據。
• CLOSE-WAIT S&C
  被動關閉端接到FIN後，就發出ACK以迴應FIN請求，並進入等待本地用戶的鏈接終止請求的半關閉狀態。這時能夠發送數據，但再也不接收數據。
• CLOSING S&C
  在發出FIN後，又收到對方發來的FIN後，進入等待對方對鏈接終止（FIN）的確認（ACK）的狀態。少見。
• LAST-ACK S&C
  被動關閉端所有數據發送完成以後，向主動關閉端發送FIN，進入等待確認包的狀態。
• TIME-WAIT S/C
  主動關閉端接收到FIN後，就發送ACK包，等待足夠時間以確保被動關閉端收到了終止請求的確認包。【按照RFC 793，一個鏈接能夠在TIME-WAIT保證最大四分鐘，即最大分段壽命（maximum segment lifetime）的2倍】
• CLOSED S&C
  徹底沒有鏈接。

基於TCP實現的協議有

• HTTP/HTTPS，
• Telnet
• FTP
• SMTP

TCP(Transmission Control Protocol)和UDP(User DataGram Protocol)的區別

下面咱們主要從鏈接性(Connectivity)、可靠性(Reliability)、有序性(Ordering)、有界性(Boundary)、擁塞控制(Congestion or Flow control)、傳輸速度(Speed)、量級(Heavy/Light weight)、頭部大小(Header size)等8個方面來對比它們：

1. TCP是面向鏈接(Connection oriented)的協議，UDP是無鏈接(Connection less)協議；
   TCP用三次握手創建鏈接：1) Client向server發送SYN；2) Server接收到SYN，回覆Client一個SYN-ACK；3) Client接收到SYN_ACK，回覆Server一個ACK。到此，鏈接建成。UDP發送數據前不須要創建鏈接。
2. TCP可靠，UDP不可靠；TCP丟包會自動重傳，UDP不會。
3. TCP有序，UDP無序；消息在傳輸過程當中可能會亂序，後發送的消息可能會先到達，TCP會對其進行重排序，UDP不會。
4. TCP無界，UDP有界；TCP經過字節流傳輸，UDP中每個包都是單獨的。
5. TCP有流量控制（擁塞控制），UDP沒有；主要靠三次握手實現。
6. TCP傳輸慢，UDP傳輸快；由於TCP須要創建鏈接、保證可靠性和有序性，因此比較耗時。這就是爲何視頻流、廣播電視、在線多媒體遊戲等選擇使用UDP。
7. TCP是重量級的，UDP是輕量級的；TCP要創建鏈接、保證可靠性和有序性，就會傳輸更多的信息，如TCP的包頭比較大。
8. TCP的頭部比UDP大；TCP頭部須要20字節，UDP頭部只要8個字節