TCP/UDP原理

首先可以看下思维导图，以便更好的理解接下来的内容。

一、端口

在计算机网络中，端口是一种虚拟数据结构，用于网络应用程序与底层网络协议（如TCP或UDP）进行通信的途径。端口可以被看作是网络地址的一部分，有助于路由器和交换机将数据传送到正确的应用程序。

1. 端口的定义和作用

端口是计算机网络中的关键概念，它为应用程序提供了一种标识和区分不同通信会话的方式。在网络通信中，数据需要通过网络传输到达目标应用程序，而端口就是这个过程中的关键。

2.服务端和客户端的区别

服务端：服务端使用知名端口号，通常是固定的，用于特定的服务或协议。知名端口号范围通常是0-1023，这些端口被IANA（Internet Assigned Numbers Authority）指定给了特定的服务。常见的知名端口号包括HTTP的80端口、FTP的20和21端口等。

客户端：客户端使用大于等于1024的随机端口号，用于临时的数据传输。

3.常见的知名端口号有

TCP 80                        HTTP                超文本传输协议。
TCP 20 & 21                   FTP                 文件传输协议。
TCP 23                        Telnet              远程登录。
TCP 25                        SMTP                简单邮件传输协议。
UDP 53                        DNS                 域名解析协议。
TCP 443                       HTTPS               HTTP over SSL/TLS。

二、TCP的原理

1.TCP头部封装格式

TCP头部包含了多种信息，这些信息帮助在发送和接收数据时维持连接的可靠性和顺序。

其中包括：

Source Port (源端口)                                 #表示数据包的发送方的端口号。帮助接收端知道哪个进程发送了这个数据包。
Destination Port (目的端口)                           #表示数据包的接收方的端口号。确保数据包被正确地路由到接收机上的适当进程。
Sequence Number (序列号)                             #用于标识发送的数据在整个数据流中的位置。允许接收端按正确的顺序重新组织接收的数据包。
Acknowledgement Number (确认号)                      #用于确认接收到的数据。告诉发送方哪些数据已被成功接收。
Data Offset (数据偏移)                                #显示TCP头部的长度。告诉接收端数据部分从哪里开始。
Reserved (保留位)                                    #为将来的使用而预留的位。保证向前兼容，为未来的扩展预留空间。
Control Bits (控制位)                                #包含URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN等标志位，用于流控制。
  URG (紧急位)设置为1时，表示“紧急指针”字段是有效的。
  ACK (确认位)当设置为1时，表示“确认号”字段是有效的。
  PSH (推送位)告诉接收端应该立即将数据推送到应用程序，而不是等待缓冲区填满。
  RST (复位位)用于复位连接，通常在错误发生时使用。
  SYN (同步位)用于建立连接时的同步。在三次握手过程中使用。
  FIN (结束位)用于关闭连接，表示发送方已完成数据发送。

Window (窗口)                                       #定义了发送方愿意接收的数据量。实现流量控制，防止接收端被发送端的数据淹没。
Checksum (校验和)                                    #用于数据完整性校验。确保数据在传输过程中没有被篡改或损坏。
Urgent Pointer (紧急指针)                             #当URG标志被设置时使用。指出紧急数据的结束位置。
Options (选项)                                      #可选字段。为TCP提供附加的功能，如最大段大小、时间戳等。
Padding (填充)                                      #确保TCP头部的长度是32位的倍数。为了对齐头部字段。
Data (数据)                                         #实际要传输的数据。传输应用程序的数据。

2.TCP可靠性机制

TCP的设计目的是提供一个可靠的、面向连接的通信服务。为了实现这一目标，TCP使用了以下几种主要机制。

三次握手

三次握手：在建立连接之前，发送方和接收方之间进行三次握手以确保双方都准备好交换数据。

第一次  SYN置位      A-B
第二次  SYN，ACK置位   B-A
第三次  ACK置位      A-B

确认机制

确认机制：每当数据被接收，接收方都会发送一个确认回发送方。
Seq=上一次ack
Ack=上一次的seq+length

超时重传：
如果没有接收到，或接收到的是不完整数据，会再次发送Ack请求对方重发

四次挥手

四次挥手：当一方想要终止连接时，双方会进行四次挥手来安全地关闭连接。

第一次  FIN置位    A-B
第二次  ACK置位   B-A
第三次  FIN置位    B-A
第四次  ACK置位   A-B

RST结束连接

RST结束连接：一种异常结束连接的方式，当接收到带RST标志的数据包时，连接立即被终止。
收到RST置位的包后，立即结束TCP连接
收到RST置位的包后，不必等待对方的确认，直接结束TCP连接

窗口机制

滑动窗口机制：一种流量控制机制，它允许发送方调整发送数据的速度，以匹配接收方的接收能力。
滑动窗口
通过通告对方本机接收能力，来实现流量控制

3.完整性校验

完整性校验：通过Checksum字段来确保数据的完整性。
通过Checksum来检查数据完整性

4.TCP特征

优点：
可靠性高：TCP通过确认机制和滑动窗口机制确保数据的可靠传输。
顺序传输：TCP确保数据包的顺序与发送顺序一致。

缺点：
占用带宽高：由于确认机制和滑动窗口机制，TCP可能会产生额外的网络开销。
传输延迟高：三次握手和四次挥手增加了建立和终止连接的时间。

5.TCP的适用场景

对数据完整性要求高，但是对传输延迟要求低
TCP是一个重量级的协议，适用于对数据完整性和顺序有严格要求的应用场景，例如文件传输、邮件发送和Web浏览。

三、UDP的原理

UDP是一个简单的、无连接的协议，与TCP相比，它牺牲了可靠性以换取更低的延迟和开销。

1.UDP头部封装格式

与TCP相比，UDP的头部简洁得多，它只包含了最基本的信息。

2.UDP特征

优点：
占用带宽低：UDP没有确认机制，因此网络开销更小。
传输延迟低：UDP发送数据时不需要建立连接。

缺点：
没有任何可靠性机制：UDP不保证数据的顺序、完整性或可靠性。

3.UDP的适用场景

对传输延迟要求高，但数据完整性要求低
UDP适用于那些对传输速度有要求，但不需要完全可靠的数据传输的场景，例如在线视频流、语音通话和某些实时游戏。

四、TCP与UDP的对比

如有不详或错误，敬请指出。