TCP和UDP的原理及其区别(三次握手、四次挥手)

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TCP和UDP的原理及其区别(三次握手、四次挥手)

 TCP和UDP都是在传输层上工作的协议，用于在网络中传输数据。

1、TCP和UDP之间的区别

        TCP和UDP的主要区别在于它们提供的服务和特性。TCP提供可靠的、有序的、基于连接的数据传输，适用于对数据完整性和可靠性要求较高的应用（邮件、短信）。UDP提供不可靠的、无序的数据传输，适用于对实时性要求较高的应用（视频通话）。选择使用TCP还是UDP取决于应用的需求和优先级，需要权衡数据的可靠性、延迟和带宽利用率等因素。

TCP比作是打电话：必须要对方接通才能进行通话，最后进行挂断。

UDP比作写信：只管将要写的内容写入信中发出去，不管对方是否收到，内容是否被篡改等等。

2、TCP连接的工作流程：

        TCP是一种面向连接的协议，TCP通过建立一个连接，确保数据包的可靠传递和按顺序接收。它使用序列号、确认和重传等机制来保证数据的准确传输。TCP还提供流量控制、拥塞控制和错误恢复等功能，以确保数据的完整性和可靠性。缺点就是他比起UDP来说消耗的性能更多，速度更慢。

2.1建立连接：

1. 第一步：客户端向服务器发送一个带有SYN（同步）标志的TCP报文段，表示请求建立连接。
2. 第二步：服务器收到客户端的请求后，向客户端发送一个带有SYN/ACK（同步/确认）标志的TCP报文段，表示同意建立连接。
3. 第三步：客户端收到服务器的响应后，再向服务器发送一个带有ACK（确认）标志的TCP报文段，表示连接已建立。

为什么要进行三次握手呢，而不是两次握手就建立连接呢？

        这是因为网络通信的不可靠性，假设一种情况，当客户端给服务端发送第一个SYN包，然后因为网络拥堵，没发到服务端，此时客户端又发了一个SYN包给服务端，服务端接到建立连接的请求，就给客户端发送SYN/ACK包，此时建立了连接，突然之前第一个SYN包发到了服务端，则服务端以为客户端又要建立一个连接请求，则给客户端发送SYN/ACK包，建立了第二条请求。

此时情况就是服务端以为和客户端建立了两条请求，而客户端这边认为只建立了一条请求，则服务端那边有一条连接一直接收不到数据，如果有第三次握手就不会出现这种情况了。

2.2数据传输

TCP协议通过一些机制来处理乱序问题和丢包问题，确保数据的可靠传输。

• 序列号和确认机制：TCP在每个数据包中使用序列号来标识数据的顺序。接收方收到数据包后，会发送一个确认（ACK）消息，其中包含下一个期望接收的序列号。如果发送方收到确认消息，就知道数据已经成功传输，如果没有收到确认消息，发送方会重新发送数据。

• 重传机制：如果发送方没有收到确认消息，或者接收方在一定时间内没有收到数据包，TCP会触发重传机制。发送方会重新发送丢失的数据包，确保数据的可靠传输。

• 滑动窗口机制：TCP使用滑动窗口机制来控制发送方发送数据的速率。接收方会告诉发送方它的接收窗口大小，发送方根据接收窗口大小来发送数据。如果接收方的窗口大小变小，发送方会相应地减少发送的数据量，以避免数据的丢失。

• 接收方缓冲区：接收方使用缓冲区来存储接收到的数据。如果数据包乱序到达，接收方会根据序列号将数据包重新排序，排序后如果发现某个包丢失会发送请求给发送端，请求他重发这段数据，待数据整合完毕。然后交付给应用程序。

通过这些机制，TCP可以有效地处理乱序问题和丢包问题。它确保数据的有序传输，并通过重传机制和滑动窗口机制来保证数据的可靠性。接收方的缓冲区可以处理乱序到达的数据包，确保数据按正确的顺序交付给应用程序。这些机制使得TCP成为一种可靠的传输协议。TCP是全双工的，所以客户端和服务端都可能是数据的接收方和发送方。

2.3四次挥手

1. 第一步：客户端发送一个带有FIN（结束）标志的TCP报文段给服务器，表示客户端不再发送数据，但仍然可以接收数据。
2. 第二步：服务器收到客户端的结束请求后，向客户端发送一个带有ACK（确认）标志的TCP报文段，确认收到了结束请求。服务器仍然可以发送数据给客户端。此时服务端处理之前未处理完的数据。
3. 第三步：当服务端数据处理完毕，也可以关闭时，发送一个带有FIN标志的TCP报文段给客户端，表示服务器不再发送数据。
4. 第四步：客户端收到服务器的结束请求后，向服务器发送一个带有ACK标志的TCP报文段，确认收到了服务器的结束请求。服务端马上进入了CLOSED状态，客户端等待超时时间后再进入CLOSED状态，连接成功关闭。

为什么客户端在发送ACK(最后一次挥手)后还要进行等待一段时间才正式关闭？ 

        这也是因为不稳定网络通信。当客户端接收到服务端的FIN包时，会给服务端发送最后的ACK，此时这个ACK又因为某些因素没发送到服务端，服务端在等待一段时间后没有收到客户端的正式关闭连接的信息ACK包，就会再次给客户端发送FIN包。所以让客户端最后再等待超时时间，是为了看看还会不会收到这个FIN，如果再次收到，则会给服务端重发ACK包，刷新超时等待时间。

3、UDP连接的工作流程：

        UDP的工作流程是简单的。UDP是一种无连接的协议，UDP将数据分割成数据报，每个数据报都是独立的，没有建立连接的过程。发送方将数据分割成数据报并直接发送给目标地址，接收方监听指定的端口号并等待数据报的到达。UDP不提供可靠性保证，数据报可能会丢失、重复或乱序到达。UDP的优势在于它的简单性和低延迟性，适用于那些对实时性要求较高的应用。