【TCP/IP】TCP与UDP详解

蔚落 2022-05-16 03:58 373阅读 0赞

在讲解TCP与UDP之前，首先看一下它们在网络协议栈上的位置：

**所谓网络协议栈，就是对网络进行分层次的梳理，主要有OSI七层模型和ICP/IP的四层模型**，对应关系如下图所示，主要介绍TCP/IP的四层模型：

![70][]

TCP/IP模型分为四层，分别是链路层、网络层、传输层、应用层，**应用层以下的三层都是在操作系统的内核中进行。 **

*  **链路层**：包括操作系统中的驱动程序和计算机网卡还有传输的物理介质，链路层上面的主要协议有以太网协议；
 *  **网络层：保证数据从一台主机将数据准确的发送到另一台指定的主机，主要通过指定IP地址（点分十进制）和端口号（表明应用程序）来实现，主要的协议有IP协议，ARP、RARP、ICMP和IGMP作为辅助协议。路由器属于网络层；**
 *  **传输层：网络层提供了一种不可靠的服务，它只是尽可能快把分组从源端口发送到目的窗口，但是并不能保证能毫发无损地准时送到。而传输层则利用TCP，UDP协议来保证传输。TCP采用超时重传，发送和接收端分组等机制来实现可靠传输。主要协议有TCP，UDP，TCP数据和UDP数据基本一致，唯一的区别是UDP传给IP的协议的信息单元称为UDP数据报；**
 *  **应用层：负责应用程序的具体需求，主要协议有FTP，TELNET，HTTP，HTML，STMP，POP，IMAP，DNS等。**

可见：TCP、UDP就是处于其中的传输层。各层之间的协议如下图所示：

![70 1][]

## 传输层 ##

既然有了IP协议（网络层），能将数据发送到指定的主机为什么还要由传输层。原因有两点：

*  **IP协议提供的是不可靠的传输协议，它只是尽力将数据发送到目标主机，但是如果数据丢包，数据损坏，它都不能提供任何解决办法；**
 *  **IP协议只是将数据发送到了目标主机，但是应该由哪个应用程序来接受这个数据包呢？IP协议没有办法告诉我们。**

因此传输层的作用就是为了实现以上两点目的。

**传输层协议有 TCP 协议和 UDP 协议。TCP 协议是面向有连接的协议，也就是说在使用 TCP 协议传输数据之前一定要在发送方和接收方之间建立连接。**一般情况下建立连接需要三步，关闭连接需要四步。

*  TCP概述： TCP 协议是面向有连接的协议，还有数据重传、流量控制等功能，TCP 协议能够正确处理丢包问题，保证接收方能够收到数据，与此同时还能够有效利用网络带宽。然而 TCP 协议中定义了很多复杂的规范，因此效率不如 UDP 协议，不适合实时的视频和音频传输；
 *  UDP概述： UDP 协议是面向无连接的协议，它只会把数据传递给接收端，但是不会关注接收端是否真的收到了数据。但是这种特性反而适合多播，实时的视频和音频传输。因为个别数据包的丢失并不会影响视频和音频的整体效果。

**IP 协议中的两大关键要素是源 IP 地址和目标 IP 地址。而刚刚我们说过，传输层的主要作用是实现应用程序之间的通信。因此传输层的协议中新增了两个要素：源端口号，目标端口号。再加上IP首部中的协议号，通过这五个信息，可以唯一识别一个通信。**用一句话来概括就是：“源 IP 地址，目标 IP 地址，源端口号，目标端口号和协议号”这五个信息只要有一个不同，都被认为是不同的通信。

## 端口号 ##

作用：**用于区分同一台主机中正在通信的不同应用程序，因此也被称为程序地址。不同的端口用于区分同一台主机上不同的应用程序。**假设你打开了两个浏览器，浏览器 A 发出的请求不会被浏览器 B 接收，这就是因为 A 和 B 具有不同的端口。端口号分为两种：

*  知名端口号：这种端口号是固定的，用于服务器程序，使用对应协议的程序就将端口号设为对应的数字。比如DNS的端口号就是53；
 *  动态端口号：这种端口号是不固定的，用于客户端程序，客户端程序对端口号要求不高，只要该端口号在本机中唯一就行。

<table>  常见的知名端口号  
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;vertical-align:middle;">端口号</td> 
   <td style="text-align:center;vertical-align:middle;">协议</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>53</td> 
   <td>DNS</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>80</td> 
   <td>HTTP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>20</td> 
   <td>FTP数据</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>21</td> 
   <td>FTP控制</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>23</td> 
   <td>SSH</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>25</td> 
   <td>SMTP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>502</td> 
   <td>MODBUS</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## TCP与UDP ##

TCP与UDP都作为传输层的协议，必然是有所区别的。下表是关于TCP和UDP的区别：

<table>  TCP和UDP的区别  
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>角度</td> 
   <td>TCP</td> 
   <td>UDP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>是否连接</td> 
   <td> <p>面向连接（发送数据前需要建立连接）</p> <p>TCP在传输前先发送连接请求和应答包，确定双方能够</p> <p>正常传输后，才开始进行数据传输。</p> </td> 
   <td> <p>无连接（发送数据无需连接）</p> <p>UDP在发送数据之前，并不考虑对方能否接受到，甚至目的地址可能都是无效</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>是否丢包重试</td> 
   <td> <p>实现了数据传输时各种控制功能，可以进行丢包的重发</p> <p>控制，还可以对次序乱掉的分包进行顺序控制</p> </td> 
   <td>不会进行丢包重试，也不会纠正到达的顺序</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>模式</td> 
   <td> <p>流模式（面向字节流）</p> <p>TCP把数据看成一连串无结构的字节流，没有边界，一</p> <p>段段传输构成了整个数据块。通过发送缓冲区和接受缓冲区来存储数据流。</p> </td> 
   <td> <p>数据报模式（面向报文）</p> <p>UDP数据报模式，每一个数据报都是一个独立的对象，有着指定的大小。</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>对应关系</td> 
   <td>一对一</td> 
   <td>支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>头部开销</td> 
   <td>最小20字节</td> 
   <td>只有8字节</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>可靠性</td> 
   <td>全双工非常可靠、无差错、不丢失、不重复、且按序到达</td> 
   <td>不保证可靠交付，不保证顺序到达</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>拥塞控制</td> 
   <td>有控制 <a href="https://blog.csdn.net/sicofield/article/details/9708383" rel="nofollow">更多详情</a></td> 
   <td> <p>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</p> <p>（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>资源要求</td> 
   <td>TCP程序结构较复杂，较多</td> 
   <td>UDP程序结构简单，少</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

基于上表的区别，TCP与UDP具有不同的用途：

TCP：用于实现可靠传输的情况，文件非常重要，对网络拥堵有较高要求的情况；

UDP：

*  用于高速传输和实时性较高的场合（即时通信）。对于采用UDP的实时视频通信，如果出现丢包也只会出现短暂卡顿，但是如果采用TCP丢包后需要重发，会导致很长时间的卡顿；
 *  包总量较少的通信（DNS），客户端较多；
 *  广播通信。

## TCP与UDP的首部 ##

### UDP首部 ###

![70 2][]

*  **源端口号：表示发送端端口号，不需要时设为0；**
 *  **目标端口号：表示接收端端口号；**
 *  **包长度：表示整个UDP包的长度；**
 *  **校验和：为了提供可靠的UDP首部和数据而设计，只要源IP地址，目标IP地址，源端口号，目标端口号，协议号有一个发生了篡改校验和都会不正确。**

### TCP首部 ###

![70 3][]

*  **源端口号：发送端端口号；**
 *  **目标端口号：接受端端口号；**
 *  **序列号（Seq）：发送数据时，表示发送数据的位置，发送完一次数据后，序列号的值都等于原来的序列号加上数据的长度；**
 *  **应答号（Ack）：用于接受端告诉发送端下次应该从哪个位置开始发送，表示前面的数据已经都收到了，Ack = Seq + 1；**
 *  数据偏移：实际就是TCP首部长度；
 *  保留：一般设置为0，用于后续扩展；
 *  **控制位（标志位）：长度为6，从左到右分别是URG，ACK，PSH，RST，SYN，FIN；**
 *  **窗口大小：能够发送数据的最大值，为0时可以发送探测窗口；**
 *  **校验和：与UDP校验和作用相同；**
 *  **紧急指针：用于处理紧急情况；**
 *  选项：其他控制设置。

常见的控制位（标志位）的含义：

*  **URG：紧急指针（urgent pointer）有效，告诉接收TCP模块紧要指针域指着紧要数据；**
 *  **ACK：确认序号有效；**
 *  **PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层，而不必等到缓冲区满时才传送；**
 *  **RST：重置连接，如果接收到RST位时候，通常发生了某些错误；**
 *  **SYN：建立一个新连接；**
 *  **FIN：断开一个连接。**

## 如何实现可靠的UDP ##

之前提到UDP是不可靠的，但是在一些使用UDP的环境中，又想保证其有一定的可靠性，那么怎么才能实现可靠的UDP呢？

**既然在传输层无法保证数据的可靠传输，只能通过应用层来实现了。实现的方式可以参照tcp可靠性传输的方式，只是实现不在传输层，实现转移到了应用层。**

也就是说，**在应用层上实现确认机制、重传机制、窗口确认机制。**如果你不利用Linux协议栈以及上层socket机制，自己通过抓包和发包的方式去实现可靠性传输，那么必须实现如下功能：

*  **数据完整性 –> 加上一个16或者32位的CRC验证字段**
 *  **乱序 –> 加上一个数据包序列号SEQ（编号）**
 *  **丢包 –> 需要确认和重传机制，就是和Tcp类似的Ack机制**

比如：

*  给数据包编号，按照包的顺序存储并发送； 
 *  接收端接收到数据包后检验验证字段和数据包编号，如果都正确，则发送确认信息给发送端，发送端接收确认数据以后再继续发送下一个包；如果接收端收到的数据包的编号不是期望的编号或者没有验证字段，则要求发送端重新发送。

参考文章：[怎样实现UDP可靠传输][UDP]。

**目前有如下开源程序利用udp实现了可靠的数据传输，分别为RUDP、RTP、UDT。**

*  RUDP：RUDP 提供一组数据服务质量增强机制，如拥塞控制的改进、重发机制及淡化服务器算法等，从而在包丢失和网络拥塞的情况下， RTP 客户机（实时位置）面前呈现的就是一个高质量的 RTP 流。在不干扰协议的实时特性的同时，可靠 UDP 的拥塞控制机制允许 TCP 方式下的流控制行为；
 *  RTP：实时传输协议（RTP）为数据提供了具有实时特征的端对端传送服务，如在组播或单播网络服务下的交互式视频音频或模拟数据。应用程序通常在 UDP 上运行 RTP 以便使用其多路结点和校验服务；这两种协议都提供了传输层协议的功能。但是 RTP 可以与其它适合的底层网络或传输协议一起使用。如果底层网络提供组播方式，那么 RTP 可以使用该组播表传输数据到多个目的地；
 *  UDT：基于UDP的数据传输协议（UDP-basedData Transfer Protocol，简称UDT）是一种互联网数据传输协议。UDT的主要目的是支持高速广域网上的海量数据传输，而互联网上的标准数据传输协议TCP在高带宽长距离网络上性能很差。顾名思义，UDT建于UDP之上，并引入新的拥塞控制和数据可靠性控制机制。UDT是面向连接的双向的应用层协议。它同时支持可靠的数据流传输和部分可靠的数据报传输。由于UDT完全在UDP上实现，它也可以应用在除了高速数据传输之外的其它应用领域，例如点到点技术（P2P），防火墙穿透，多媒体数据传输等等。

参考文章：[udp如何实现可靠性传输？][udp]。

这边是有一份面试总结的链接：[面试总结--网络][--]。

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[70]: /images/20220516/4bb01dab108f47af892ee76dadf1c643.png
[70 1]: /images/20220516/5ca66240a32d4c428b6cb7100070b255.png
[70 2]: /images/20220516/549431d65e7e44d4a112cf3c06357b7e.png
[70 3]: /images/20220516/8eaf33c4d53e4514ad009c47ae57bc06.png
[UDP]: https://blog.csdn.net/y1730008223cong/article/details/74002367
[udp]: https://blog.csdn.net/gettogetto/article/details/76736365
[--]: https://www.jianshu.com/p/2241e14ac8e3
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