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TCP 和 UDP 的区别

时间:2019-06-20 17:40:00来源:IT技术作者:seo实验室小编阅读:68次「手机版」
 

tcpudp

文章目录

    • 前言
    • 1. UDP
    • 2. TCP
      • 2.1 TCP 的三次握手
      • 2.2 TCP 四次挥手
      • 2.3 累计确认
      • 2.4 顺序问题和丢包问题
      • 2.5 流量控制的问题
      • 2.6 拥塞控制的问题
    • 总结及面试问题

前言

前端的面试中经常问的 TCP 和 UDP 的区别,网上也有好多内容,比如

TCP 和 UDP 的区别

  • TCP 是面向连接的,UDP 是面向无连接的
  • UDP程序结构较简单
  • TCP 是面向字节流的,UDP 是基于数据报的
  • TCP 保证数据正确性,UDP 可能丢包
  • TCP 保证数据顺序,UDP 不保证

之前也因为面试的原因了解过一下,但是面试官又问了为什么 TCP 是可靠传输,一下就露馅了,说不出来了,然后这两天就仔细了解了一下这方面的内容,还专门订阅了极客时间的趣谈网络协议,因此,这篇文章主要基于趣谈网络协议和自己的理解。

1. UDP

要想理解 TCP 和 UDP 的区别,首先要明白什么是 TCP,什么是 UDP

TCP 和 UDP 是传输层的两个协议

我们来看一下 UDP 的包头

UDP 包头

由上图可以看出,UDP 除了端口号,基本啥都没有了。如果没有这两个端口号,数据就不知道该发给哪个应用。

所以 UDP 就像一个小孩子,特别简单,有如下三个特点

UDP 的特点

  • 沟通简单,不需要大量的数据结构,处理逻辑和包头字段
  • 轻信他人。它不会建立连接,但是会监听这个地方,谁都可以传给它数据,它也可以传给任何人数据,甚至可以同时传给多个人数据。
  • 愣头青,做事不懂变通。不会根据网络的情况进行拥塞控制,无论是否丢包,它该怎么发还是怎么发

因为 UDP 是"小孩子",所以处理的是一些没那么难的项目,并且就算失败的也能接收。基于这些特点的话,UDP 可以使用在如下场景中

UDP 的主要应用场景

  • 需要资源少,网络情况稳定的内网,或者对于丢包不敏感的应用,比如 DHCP 就是基于 UDP 协议的。
  • 不需要一对一沟通,建立连接,而是可以广播的应用。因为它不面向连接,所以可以做到一对多,承担广播或者多播的协议。
  • 需要处理速度快,可以容忍丢包,但是即使网络拥塞,也毫不退缩,一往无前的时候

基于 UDP 的几个例子

  • 直播。直播对实时性的要求比较高,宁可丢包,也不要卡顿的,所以很多直播应用都基于 UDP 实现了自己的视频传输协议
  • 实时游戏。游戏的特点也是实时性比较高,在这种情况下,采用自定义的可靠的 UDP 协议,自定义重传策略,能够把产生的延迟降到最低,减少网络问题对游戏造成的影响
  • 物联网。一方面,物联网领域中断资源少,很可能知识个很小的嵌入式系统,而维护 TCP 协议的代价太大了;另一方面,物联网对实时性的要求也特别高。比如 Google 旗下的 Nest 简历 Thread Group,推出了物联网通信协议 Thread,就是基于 UDP 协议的

还有一些,但是写的太多了也记不住,所以主要记住这几个就够了

2. TCP

首先是 TCP 的包头格式

TCP 包头

TCP 的包头有哪些内容,分别有什么用

  • 首先,源端口和目标端口是不可少的。
  • 接下来是包的序号。主要是为了解决乱序问题。不编好号怎么知道哪个先来,哪个后到
  • 确认序号。发出去的包应该有确认,这样能知道对方是否收到,如果没收到就应该重新发送,这个解决的是不丢包的问题
  • 状态位。SYN 是发起一个链接,ACK 是回复,RST 是重新连接,FIN 是结束连接。因为 TCP 是面向连接的,因此需要双方维护连接的状态,这些状态位的包会引起双方的状态变更
  • 窗口大小,TCP 要做流量控制,需要通信双方各声明一个窗口,标识自己当前的处理能力。

通过对 TCP 头的解析,我们知道要掌握 TCP 协议,应该重点关注以下问题:

  • 顺序问题
  • 丢包问题
  • 连接维护
  • 流量控制
  • 拥塞控制

2.1 TCP 的三次握手

所有的问题,首先都要建立连接,所以首先是连接维护的问题

TCP 的建立连接称为三次握手,可以简单理解为下面这种情况

A:您好,我是 A

B:您好 A,我是 B

A:您好 B

至于为什么是三次握手我这里就不细讲了,可以看其他人的博客,总结的话就是通信双方全都有来有回

对于 A 来说它发出请求,并收到了 B 的响应,对于 B 来说它响应了 A 的请求,并且也接收到了响应。

TCP 的三次握手除了建立连接外,主要还是为了沟通 TCP 包的序号问题。

A 告诉 B,我发起的包的序号是从哪个号开始的,B 同样也告诉 A,B 发起的 包的序号是从哪个号开始的。

双方建立连接之后需要共同维护一个状态机,在建立连接的过程中,双方的状态变化时序图如下所示

状态变化时序图

这是网上经常见到的一张图,刚开始的时候,客户端和服务器都处于 CLOSED 状态,先是服务端主动监听某个端口,处于 LISTEN 状态。然后客户端主动发起连接 SYN,之后处于 SYN-SENT 状态。服务端接收了发起的连接,返回 SYN,并且 ACK ( 确认 ) 客户端的 SYN,之后处于 SYN-SENT 状态。客户端接收到服务端发送的 SYN 和 ACK 之后,发送 ACK 的 ACK,之后就处于 ESTAVLISHED 状态,因为它一发一收成功了。服务端收到 ACK 的 ACK 之后,也处于 ESTABLISHED 状态,因为它也一发一收了。

2.2 TCP 四次挥手

说完建立连接,再说下断开连接,也被称为四次挥手,可以简单理解如下

A:B 啊,我不想玩了

B:哦,你不想玩了啊,我知道了

这个时候,只是 A 不想玩了,即不再发送数据,但是 B 可能还有未发送完的数据,所以需要等待 B 也主动关闭。

B:A 啊,好吧,我也不玩了,拜拜

A:好的,拜拜

这样整个连接就关闭了,当然上面只是正常的状态,也有些非正常的状态(比如 A 说完不玩了,直接跑路,B 发起的结束得不到 A 的回答,不知道该怎么办或则 B 直接跑路 A 不知道该怎么办),TCP 协议专门设计了几个状态来处理这些非正常状态

断开连接状态时序图

断开的时候,当 A 说不玩了,就进入 FIN_WaiT_1 的状态,B 收到 A 不玩了的消息后,进入 close_wait 的状态。

A 收到 B 说知道了,就进入 FIN_WAIT_2 的状态,如果 B 直接跑路,则 A 永远处与这个状态。TCP 协议里面并没有对这个状态的处理,但 linux 有,可以调整 tcp_fin_timeout 这个参数,设置一个超时时间。

如果 B 没有跑路,A 接收到 B 的不玩了请求之后,从 FIN_WAIT_2 状态结束,按说 A 可以跑路了,但是如果 B 没有接收到 A 跑路的 ACK 呢,就再也接收不到了,所以这时候 A 需要等待一段时间,因为如果 B 没接收到 A 的 ACK 的话会重新发送给 A,所以 A 的等待时间需要足够长。

2.3 累计确认

TCP 如何实现可靠传输?

首先为了保证顺序性,每个包都有一个 ID。在建立连接的时候会商定起始 ID 是什么,然后按照 ID 一个个发送,为了保证不丢包,需要对发送的包都要进行应答,当然,这个应答不是一个一个来的,而是会应答某个之前的 ID,表示都收到了,这种模式成为累计应答累计确认

为了记录所有发送的包和接收的包,TCP 需要发送端和接收端分别来缓存这些记录,发送端的缓存里是按照包的 ID 一个个排列,根据处理的情况分成四个部分

  • 发送并且确认的
  • 发送尚未确认的
  • 没有发送等待发送的
  • 没有发送并且暂时不会发送的

这里的第三部分和第四部分就属于流量控制的内容

在 TCP 里,接收端会给发送端报一个窗口大小,叫 Advertised window。这个窗口应该等于上面的第二部分加上第三部分,超过这个窗口,接收端做不过来,就不能发送了

于是,发送端要保持下面的数据结构

发送端数据结构

对于接收端来讲,它的缓存里面的内容要简单一些

  • 接收并且确认过的
  • 还没接收,但是马上就能接收的
  • 还没接收,但也无法接收的

对应的数据结构如下

接收端的数据结构

2.4 顺序问题和丢包问题

结合上面的图看,在发送端,1、2、3 已发送并确认;4、5、6、7、8、9 都是发送了还没确认;10、11、12 是还没发出的;13、14、15 是接收方没有空间,不准备发的。

在接收端来看,1、2、3、4、5 是已经完成 ACK 但是还没读取的;6、7 是等待接收的;8、9 是已经接收还没有 ACK 的。

发送端和接收端当前的状态如下:

  • 1、2、3 没有问题,双方达成了一致
  • 4、5 接收方说 ACK 了,但是发送方还没收到
  • 6、7、8、9 肯定都发了,但是 8、9 已经到了,6、7 没到,出现了乱序,缓存着但是没办法 ACK。

根据这个例子可以知道顺序问题和丢包问题都有可能存在,所以我们先来看确认与重传机制

假设 4 的确认收到了,5 的 ACK 丢了,6、7 的数据包丢了,该怎么办?

一种方法是超时重试,即对每一个发送了但是没有 ACK 的包设定一个定时器,超过了一定的事件就重新尝试。这个时间必须大于往返时间,但也不宜过长,否则超时时间变长,访问就变慢了。

如果过一段时间,5、6、7 都超时了就会重新发送。接收方发现 5 原来接收过,于是丢弃 5;6 收到了,发送 ACK,要求下一个是 7,7 不幸又丢了。当 7 再次超时的时候,TCP 的策略是超时间隔加倍。每当遇到一次超时重传的时候,都会讲下一次超时时间间隔设为先前值的两倍。

超时重传的机制是超时周期可能相对较长,是否有更快的方式呢?

有一个快速重传的机制,即当接收方接收到一个序号大于期望的报文段时,就检测到了数据流之间的间隔,于是发送三个冗余的 ACK,客户端接收到之后,知道数据报丢失,于是重传丢失的报文段。

例如,接收方发现 6、8、9 都接收了,但是 7 没来,所以肯定丢了,于是发送三个 6 的 ACK,要求下一个是 7。客户端接收到 3 个,就会发现 7 的确又丢了,不等超时,马上重发。

2.5 流量控制的问题

在流量控制的机制里面,在对于包的确认中,会携带一个窗口的大小

简单的说一下就是接收端在发送 ACK 的时候会带上缓冲区的窗口大小,但是一般在窗口达到一定大小才会更新窗口,因为每次都更新的话,刚空下来就又被填满了

2.6 拥塞控制的问题

也是通过窗口的大小来控制的,但是检测网络满不满是个挺难的事情,所以 TCP 发送包经常被比喻成往谁管理灌水,所以拥塞控制就是在不堵塞,不丢包的情况下尽可能的发挥带宽。

水管有粗细,网络有带宽,即每秒钟能发送多少数据;水管有长度,端到端有时延。理想状态下,水管里面的水 = 水管粗细 * 水管长度。对于网络上,通道的容量 = 带宽 * 往返时延。

如果我们设置发送窗口,使得发送但未确认的包为通道的容量,就能撑满整个管道。

如图所示,假设往返时间为 8 秒,去 4 秒,回 4 秒,每秒发送一个包,已经过去了 8 秒,则 8 个包都发出去了,其中前四个已经到达接收端,但是 ACK 还没返回,不能算发送成功,5-8 后四个包还在路上,还没被接收,这个时候,管道正好撑满,在发送端,已发送未确认的 8 个包,正好等于带宽,也即每秒发送一个包,也即每秒发送一个包,乘以来回时间 8 秒。

如果在这个基础上调大窗口,使得单位时间可以发送更多的包,那么会出现接收端处理不过来,多出来的包会被丢弃,这个时候,我们可以增加一个缓存,但是缓存里面的包 4 秒内肯定达不到接收端课,它的缺点会增加时延,如果时延达到一定程度就会超时重传

TCP 拥塞控制主要来避免两种现象,包丢失和超时重传,一旦出现了这些现象说明发送的太快了,要慢一点。

具体的方法就是发送端慢启动,比如倒水,刚开始倒的很慢,渐渐变快。然后设置一个阈值,当超过这个值的时候就要慢下来

慢下来还是在增长,这时候就可能水满则溢,出现拥塞,需要降低倒水的速度,等水慢慢渗下去。

拥塞的一种表现是丢包,需要超时重传,这个时候,采用快速重传算法,将当前速度变为一半。所以速度还是在比较高的值,也没有一夜回到解放前。

总结及面试问题

TCP 和 UDP 的区别

  • TCP 是面向连接的,UDP 是面向无连接的
  • UDP程序结构较简单
  • TCP 是面向字节流的,UDP 是基于数据报的
  • TCP 保证数据正确性,UDP 可能丢包
  • TCP 保证数据顺序,UDP 不保证

什么是面向连接,什么是面向无连接

在互通之前,面向连接的协议会先建立连接,如 TCP 有三次握手,而 UDP 不会

TCP 为什么是可靠连接

  • 通过 TCP 连接传输的数据无差错,不丢失,不重复,且按顺序到达。
  • TCP 报文头里面的序号能使 TCP 的数据按序到达
  • 报文头里面的确认序号能保证不丢包,累计确认及超时重传机制
  • TCP 拥有流量控制及拥塞控制的机制

TCP 的顺序问题,丢包问题,流量控制都是通过滑动窗口来解决的

拥塞控制时通过拥塞窗口来解决的

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