TCP与UDP的区别、优势、TCP的三次握手和四次断开、滑动窗口

TCP与UDP的区别

1、TCP面向连接(如打电话要先拨号建立连接);UDP是无连接的,即发送数据之前不需要建立连接
2、TCP提供可靠的服务。也就是说,通过TCP连接传送的数据,无差错,不丢失,不重复,且按序到达;UDP尽最大努力交付,即不保证可靠交付,Tcp通过校验和,重传控制,序号标识,滑动窗口、确认应答实现可靠传输。如丢包时的重发控制,还可以对次序乱掉的分包进行顺序控制。
3、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;UDP是面向报文的
UDP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,如IP电话,实时视频会议等)
4、每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一,一对多,多对一和多对多的交互通信
5、TCP首部开销20字节;UDP的首部开销小,只有8个字节
6、TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道,UDP则是不可靠信道

为什么UDP有时比TCP更有优势?

UDP以其简单、传输快的优势,在越来越多场景下取代了TCP,如实时游戏。
(1)网速的提升给UDP的稳定性提供可靠网络保障,丢包率很低,如果使用应用层重传,能够确保传输的可靠性。
(2)TCP为了实现网络通信的可靠性,使用了复杂的拥塞控制算法,建立了繁琐的握手过程,由于TCP内置的系统协议栈中,极难对其进行改进。
采用TCP,一旦发生丢包,TCP会将后续的包缓存起来,等前面的包重传并接收到后再继续发送,延时会越来越大,基于UDP对实时性要求较为严格的情况下,采用自定义重传机制,能够把丢包产生的延迟降到最低,尽量减少网络问题对游戏性造成影响。

两种报文格式

TCP报文(头部占20字节)


TCP与UDP的区别、优势、TCP的三次握手和四次断开、滑动窗口_第1张图片

UDP报文(头部8字节)

TCP与UDP的区别、优势、TCP的三次握手和四次断开、滑动窗口_第2张图片

 TCP的三次握手过程?

第一次握手:建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SENT状态,等待服务器确认;SYN:同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers);
第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;
第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED(TCP连接成功)状态,完成三次握手;
追问:为什么需要三次?
TCP是可靠的传输控制协议,三次握手能保证数据可靠传输又能提高传输效率。

如果TCP的握手是两次:

如果client发给server的SYN报文因为网络原因,延迟发送。由于client没有收到server对SYN的确认报文,会重发SYN报文,服务器和回复ACK,连接建立。数据发送完毕,这条连接被正常关闭。这时,延迟的SYN报文发到了server,server误以为这是client重新发送的同步报文,又回复了一个ACK,和client建立了连接。
如果server给client发送的ACK报文因为网络原因,报文被丢弃,此时server认为已经建立好连接,但是client没有收到确认报文,认为没有建立好连接。client会重发SYN报文,此时server已经处于就绪状态,认为已经建立好连接。

如果TCP的握手是四次:

client给server发送SYN同步报文;
server收到SYN后,给client回复ACK确认报文;
server给client发送SYN同步报文;
client给server发送ACK确认报文。

第2.3步之间,server和client没有任何的数据交互,分开发送相当于多发了一次TCP报文段,SYN和ACK标识只是TCP报头的一个标识位。很明显,这两步可以合并,从而提高连接的速度和效率。

TCP与UDP的区别、优势、TCP的三次握手和四次断开、滑动窗口_第3张图片

TCP断开的四次挥手

1.客户端A发送一个FIN,用来关闭客户A到服务器B的数据传送
2.服务器B收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号
3.服务器B关闭与客户端A的连接,发送一个FIN给客户端A
4.客户端A发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1

追问:为什么是四次?
TCP是全双工的连接,必须两端同时关闭连接,连接才算真正关闭。 如果一方已经准备关闭写,但是它还可以读另一方发送的数据。发送给FIN结束报文给对方对方收到后,回复ACK报文。当这方也已经写完了准备关闭,发送FIN报文,对方回复ACK。两端都关闭,TCP连接正常关闭

深入理解TCP连接: 

由于TCP是全双工的,因此在每一个方向都必须单独关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个FIN只意味着这个方向上没有数据流动,一个TCP连接在接收到一个FIN后仍能发送数据。 首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。
TCP协议的连接是全双工连接,一个TCP连接存在双向的读写通道。简单来说,是“先关读,再关写” ,总共需要4个阶段。以客户机发起关闭连接为例:1.服务器读通道关闭;2.客户端写通道关闭;3.客户端读通道关闭;4.服务器写通道关闭
关闭行为是在发起方数据发送完毕之后,给对方发出一个FIN(finish)数据段,直到接收到对方发送的FIN,且对方收到了接收确认的ACK之后,双方的数据通信完全结束,过程中每次都需要返回确认数据段ACK。


TCP使用滑动窗口机制来进行流量控制


建立连接时,各端分配一个缓冲区用来存储接收的数据,并将缓冲区的尺寸发送给另一端。接收方发送的确认消息中包含了自己剩余的缓冲区尺寸。剩余缓冲区空间的数量叫做窗口。其实就是建立连接的双虎互相知道彼此剩余的缓冲区大小。

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