传输层中的TCP和UDP浅析
TCP/IP协议中，传输层有两大协议：TCP和UDP，本文介绍了TCP和UDP的概念，并介绍了TCP通信和UDP通信的原理，比较了两者的不同，分析了两者各自的应用环境。
TCP和UDP是TCP/IP网络协议中传输层的两大协议，主要负责分割并组装上层交付的数据流，为数据流提供端到端的传输服务。TCP全称是Transmission Control Protocol传输控制协议，是面向链接的可靠协议。UDP全称是User Datagram Protocol用户数据报协议，是无链接的可靠协议。下面具体描述TCP和UDP的概念。
1. TCP（传输控制协议）
TCP是一种面向链接的可靠协议，是因为利用TCP进行通信，需要建立虚电路。这种虚电路在物理上是不存在的，只是一种逻辑上认为建立了链接。此外，TCP还保证了数据包的可靠性，控制流量。TCP通信的过程分成了三步：1. 开始传输前，端到端需要通过三次握手建立链接。2. 传输过程中双方按照TCP保证可靠性。3. 传输结束之后，双方再用三次握手关闭连接。
什么是三次握手呢？
为了保证在逻辑上的链接，协议需要确保双方可以通信，因此在数据传输开始前，需要三次握手。下图标示了一个三次握手的过程，主机A为发送端，主机B为接收端。
1) A向B发送SYN请求，这是一个请求同步的信号，A的意思是说：我要向你请求同步。
2) 如果B同意建立链接，向A回复同意SYN请求的信号(SYN + ACK)，B的意思是说：我同意A的同步请求。
3) A向B回复收到了同意请求的信号，(SYN + ACK)，A的意思是说：我收到了B的同意信号。
通过这样的三次握手，A和B能够确定对方在线，且两者能够通信。这样就保证了链接是有效的，虚电路就建立起来了。
TCP链接如何保证可靠性？
TCP的数据包中记录了序号(seq)和应答号(ack)两个字段。三次握手成功后，seq被初始化。传输过程中，TCP继续使用这个序号来标记发送的每个数据包，发送端每传送一个数据包，序列号加一。接收端每接受一个数据包，会用ACK应答哪个seq标记的数据包收到了。
通过上述过程，TCP链接就可以保证通信的可靠性了。1. 针对于丢包或者延迟，TCP定义了重发机制。发送端监听接收端返回的ACK包，如果在一个时间窗口内发送端未能接收到ACK包，发送端就认为发送失败，重发该数据包。2. 数据包的重发机制就会导致包的重复，针对包的重复，TCP根据包的seq字段去重复。接收端接收到数据包之后，查看其seq字段，如果已经成功接收该数据包，则丢弃这个数据包。3. IP包的转发机制可能导致包的乱序，针对包的乱序，TCP同样根据包的seq字段重装数据段。保证了每个数据包能够以正确的顺序，无重复的传输到接收端，也就保证了TCP链接的传输可靠性。
TCP链接的流量控制
如果每发送一个包都要等待ACK响应，会导致传输效率太低。为了充分利用带宽，TCP引入了滑动窗口机制。发送端可以发送窗口大小规定的数据包数，当最早发送的数据包接收到ACK响应，窗口则向前滑动，发送端可以继续发送数据包。窗口越大，可以发送的数据包就越多，对带宽的利用率越高。如果窗口无限大，也就是不需要等待ACK响应，就可以一口气把所有数据包全部发送。然而窗口越小，对带宽的利用率越低。如果窗口大小为1，就意味着没法送一个数据包，都要等待ACK响应后，才能在发送下一个。
因此，通过控制滑动窗口的大小就可以控制TCP链接的流量。当网络畅通的时候，滑动窗口大小可以大一点；当网络拥塞的时候，滑动窗口小一点，大家都节约带宽。流量控制的好处是，避免了因为大量数据包重发导致网络进一步拥塞。当网络拥塞的时候，丢包率更高，会使得大量的数据包重发，使得网络进一步拥塞。不对端用户流量加以控制，可能导致网络瘫痪。
TCP链接的关闭
当应用进程没有数据继续发送时，可以关闭TCP链接，需要四次握手来保证通信双方都关闭TCP链接。下图标示了一个三次握手的过程，主机A为发送端，主机B为接收端。
TCP使用四次握手来关闭连接，主要是为了保证双方都关闭TCP链接。由于TCP链接是双全工的，因此每个方向必须单独关闭。关闭的原则是当一方完成它的数据发送任务就可以发送FIN请求关闭这个方向的链接。当接收端接收到FIN请求，就通知上层应用发送端已经发送完毕，并回复ACK响应。这时TCP链接进入一个半关闭状态，主机A已经不能向B发送数据，但是能够接收来自B的数据；而主机B能够向A发送数据，却不在接收来自A的数据。当接收端也发送FIN请求并得到ACK响应后，TCP链接就彻底关闭了。
2. UDP（用户数据报协议）
UDP为应用程序提供的是一种不可靠的、无连接的分组交付，因此，UDP报文可能会出现丢失、乱序、延时等问题。UDP直接向接收端发送数据包，并不关心接收端是否收到这些数据包。接收端按照数据包的接受顺序重组数据段，并不关心数据包的乱序、丢失等问题。
既然UDP如此不可靠，为什么要设计这样一个协议？正是由于UDP不提供可靠性，它的开销很小。由于UDP既不需要三次握手连接，也不需要ACK响应和重发机制，也没有滑动窗口机制，它的开销已经被降到了最小。
3. TCP/UDP各自适合什么场景？
3.0 TCP/UDP对比
UDP处理的细节比TCP少，没有三次握手、ACK响应和重发机制、流量控制机制，开销比TCP小得多。UDP把数据报发出去后只能希望它能够抵达目的地。UDP不能保证消息被传送到目的地，也不保证数据包的传送顺序。
TCP和UDP各有优劣。TCP的优点：
1．TCP提供以认可的方式显式地创建和终止连接。
2．TCP保证可靠的、顺序的（数据包以发送的顺序接收）以及不会重复的数据传输。
3．TCP处理流量控制。
4．允许数据优先。
5．如果数据没有传送到，则TCP套接口返回一个出错状态条件。
6．TCP通过保持连续并将数据块分成更小的分片来处理大数据块，这一点程序猿无需关心。
缺点：
1. TCP在转移数据时必须创建（并保持）一个连接，给通信进程增加了开销。
2. 等待接收端的ACK响应，让它比UDP速度要慢。
UDP优缺点：
1．UDP不要求建立和保持一个连接，开销更小。
2．UDP没有因接收方认可收到数据包（或者当数据包没有正确抵达而自动重传）而带来的流量开销。
缺点：
过于简单，不保证数据可靠传输，没有流量控制。
3.1 适合UDP的环境：
1.在要求实时性网络环境中，允许一定量的丢包和乱序的情况下，UDP可提供高效的网络通信。这类的场景包括音频、视频的传输，这类场景要求实时性强，且少量的丢包乱序对数据质量影响不大，因此UDP经常被选为这类场景的传输层协议。
2.在轻权通信中，当需要传输的数据量很小（可以装在一个IP数据包内）时。如果我们使用TCP，那么，先建立连接，一共需要发送3个IP数据包，然后数据传输，1个IP数据包，产生一个确认信号的IP包，然后关闭连接，需要传输5个IP数据包。使用TCPIP包的利用率为1/10。而使用UDP，只需要发送一个IP数据包。哪怕丢包（服务不成功），也可在应用层重新申请服务（重传）。
3. 在要求高效网络环境中（不需要考虑网络不好导致的丢包、乱序、延时、重复等问题时），UDP效率要高得多，因为UDP是无连接的服务，不用消耗不必要的网络资源（TCP中的协议间通信）和处理时间（预期确认需要的时间）。
3.2 适合TCP的环境
在要求可靠通信的网络环境中，最好采用TCP。当网络硬件失效或者负担太重时，数据包可能就会产生丢失、重复、延时、乱序的现象。这些都会导致我们的通信不正常的时候。如果让应用程序来担负差错控制的工作，无疑将给程序员带来许多复杂的工作，于是，我们使用独立的通信协议来保证通信的可靠性是非常必要的。
TCP应用场景最广泛，比如浏览器访问网页、网页前端和服务器之间的数据传输，都要求很高的可靠性。
参考：
