TCP 与 UDP 的区别？

  • TCP 基于连接 UDP 无连接；
  • 对系统资源的要求(TCP较多，UDP少)；
  • TCP 流模式，UDP 数据报模式；
  • TCP 保证数据正确性且保证数据顺序；
  • UDP 可能丢包且不保证数据顺序；

TCP 报文段结构

TCP 的报文段结构，如下图所示

tcp

TCP 报文段结构相比 UDP 报文结构多了很多内容。但是前两个 32 比特的字段是一样的。它们是 源端口号 和 目标端口号，我们知道，这两个字段是用于多路复用和多路分解的。另外，和 UDP 一样，TCP 也包含校验和(checksum field) ，除此之外，TCP 报文段首部还有下面这些

  • 32 比特的序号字段(sequence number field) 和 32 比特的确认号字段(acknowledgment number field) 。这些字段被 TCP 发送方和接收方用来实现可靠的数据传输。

  • 4 比特的首部字段长度字段(header length field)，这个字段指示了以 32 比特的字为单位的 TCP 首部长度。TCP 首部的长度是可变的，但是通常情况下，选项字段为空，所以 TCP 首部字段的长度是 20 字节。

  • 16 比特的 接受窗口字段(receive window field) ，这个字段用于流量控制。它用于指示接收方能够/愿意接受的字节数量

  • 可变的选项字段(options field)，这个字段用于发送方和接收方协商最大报文长度，也就是 MSS 时使用

  • 6 比特的 标志字段(flag field)， ACK 标志用于指示确认字段中的值是有效的，这个报文段包括一个对已被成功接收报文段的确认；RST、SYN、FIN 标志用于连接的建立和关闭；CWR 和 ECE 用于拥塞控制；PSH 标志用于表示立刻将数据交给上层处理；URG 标志用来表示数据中存在需要被上层处理的 紧急 数据。紧急数据最后一个字节由 16 比特的紧急数据指针字段(urgeent data pointer field) 指出。一般情况下，PSH 和 URG 并没有使用。

UDP 报文结构

UDP 的报文结构，每个 UDP 报文分为 UDP 报头和 UDP 数据区两部分。报头由 4 个 16 位长（2 字节）字段组成，分别说明该报文的源端口、目的端口、报文长度和校验值。

udp

  • 源端口号(Source Port) :这个字段占据 UDP 报文头的前 16 位，通常包含发送数据报的应用程序所使用的 UDP 端口。接收端的应用程序利用这个字段的值作为发送响应的目的地址。这个字段是可选项，有时不会设置源端口号。没有源端口号就默认为 0 ，通常用于不需要返回消息的通信中。

  • 目标端口号(Destination Port): 表示接收端端口，字段长为 16 位

  • 长度(Length): 该字段占据 16 位，表示 UDP 数据报长度，包含 UDP 报文头和 UDP 数据长度。因为 UDP 报文头长度是 8 个字节，所以这个值最小为 8，最大长度为 65535 字节。

  • **校验和(Checksum)：**UDP 使用校验和来保证数据安全性，UDP 的校验和也提供了差错检测功能，差错检测用于校验报文段从源到目标主机的过程中，数据的完整性是否发生了改变。发送方的 UDP 对报文段中的 16 比特字的和进行反码运算，求和时遇到的位溢出都会被忽略，比如下面这个例子，三个 16 比特的数字进行相加

TCP 是如何实现数据的可靠性？

一句话：通过校验和、序列号、确认应答、超时重传、连接管理、流量控制、拥塞控制等机制来保证可靠性。

（1）校验和

在数据传输过程中，将发送的数据段都当做一个16位的整数，将这些整数加起来，并且前面的进位不能丢弃，补在最后，然后取反，得到校验和。

发送方：在发送数据之前计算校验和，并进行校验和的填充。接收方：收到数据后，对数据以同样的方式进行计算，求出校验和，与发送方进行比较。

（2）序列号

TCP 传输时将每个字节的数据都进行了编号，这就是序列号。序列号的作用不仅仅是应答作用，有了序列号能够将接收到的数据根据序列号进行排序，并且去掉重复的数据。

（3）ACK 确认应答

当消息接收方接收到消息，返回一个对应的 ACK，发送方就知道这个消息已经处理完成，这个 ACK 报文中带有对应的确认序列号，告诉发送方，接收了哪些数据，下一次数据从哪里传。

（4）超时重传

消息超时也就是说没有在等待时间内收到对方的 ACK 消息。这个时候，为了保证消息对方能够正确收到，我们需要将这个消息进行重新传输，如果尝试成功，则继续发送接下来的包。若尝试几次均失败，那么 TCP 会强行断开连接，发送 RST 信息。并告知应用程序连接错误。

（5）连接可靠

三次握手、四次挥手的过程。

（6）流量控制

如果发送方的发送速度太快，会导致接收方的接收缓冲区填充满了，这时候继续传输数据，就会造成大量丢包，进而引起丢包重传等等一系列问题。TCP 支持根据接收端的处理能力来决定发送端的发送速度，这就是流量控制机制。

具体实现方式：接收端将自己的接收缓冲区大小放入 TCP 首部的『窗口大小』字段中，通过 ACK 通知发送端。

（7）拥塞控制

拥塞控制就是当网络拥堵严重时，发送端减少数据发送。拥塞控制是通过发送端维护一个拥塞窗口来实现的。可以得出，发送端的发送速度，受限于滑动窗口和拥塞窗口中的最小值。拥塞控制方法分为：慢开始，拥塞避免、快重传和快恢复。

拥塞控制展开

参考