tcpudp
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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
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
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 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
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或累计确认。
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
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
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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