TCP 与 UDP 的区别-526互联

TCP 与 UDP 的区别

TCP 与 UDP 的区别属于老生常谈的问题了，这里简单整理下。

1、TCP/IP 网络模型

TCP/IP 模型是一系列网络协议的总称，这些协议可以划分为四层，分别为应用层、传输层、网络层以及网络接口层（网络接口层也可细分为数据链路层、物理层）。

应用层：负责向用户提供应用程序，比如 HTTP、FTP、DNS、Telnet、SMTP等。
传输层：负责对报文进行分组和重组，以 TCP 或 UDP 协议格式封装报文。
网络层：负责路由及将报文发送到目的网络或主机。
网络接口层：负责封装及解封 IP 报文，发送和接受 ARP/RAPP 报文等。

下表是 TCP/IP 模型及对应的 OSI 七层模型的作用及常用协议归纳：

OSI 七层模型	TCP/IP 模型	功能	TCP/IP协议族
应用层	应用层	为应用程序提供服务	HTTP, FTP, DNS, Telnet, TFTP, SNMP, SMTP
表示层		数据格式化，数据加密	没有协议
会话层		建立、管理和维护会话	没有协议
传输层	传输层	建立、管理和维护端对端的连接	TCP, UDP
网络层	网络层	IP选址及路由选择	IP, ICMP，RIP, OSPF, IGMP
数据链路层	网络接口层	提供介质(帧)访问和链路管理	SLIP, CSLIP, ARP, RARP, MTU
物理层	网络接口层	以二进制数据形式在物理媒体上传输数据	ISO2110, IEEE802

整个数据传输过程中，数据在发送端时经过各层时都要附加上相应层的协议头和协议尾（仅数据链路层需要封装协议尾）部分，也就是要对数据进行协议封装，以标识对应层所用的通信协议。接下来介绍TCP/IP 中有两个具有代表性的传输层协议，即 TCP 和 UDP。

2、UDP

2.1、UDP 特点

UDP 协议一般作为流媒体应用、语音交流、视频会议所使用的传输层协议，我们大家都知道的 DNS 协议底层也使用了 UDP 协议，这些应用或协议之所以选择 UDP 主要是因为以下这几点

速度快，采用 UDP 协议时，只要应用进程将数据传给 UDP，UDP 就会将此数据打包进 UDP 报文段并立刻传递给网络层，然后 TCP 有拥塞控制的功能，它会在发送前判断互联网的拥堵情况，如果互联网极度阻塞，那么就会抑制 TCP 的发送方。使用 UDP 的目的就是希望实时性。
无须建立连接，TCP 在数据传输之前需要经过三次握手的操作，而 UDP 则无须任何准备即可进行数据传输。因此 UDP 没有建立连接的时延。如果使用 TCP 和 UDP 来比喻开发人员：TCP 就是那种凡事都要设计好，没设计不会进行开发的工程师，需要把一切因素考虑在内后再开干！所以非常靠谱；而 UDP 就是那种上来直接干干干，接到项目需求马上就开干，也不管设计，也不管技术选型，就是干，这种开发人员非常不靠谱，但是适合快速迭代开发，因为可以马上上手！
无连接状态，TCP 需要在端系统中维护连接状态，连接状态包括接收和发送缓存、拥塞控制参数以及序号和确认号的参数，在 UDP 中没有这些参数，也没有发送缓存和接受缓存。因此，某些专门用于某种特定应用的服务器当应用程序运行在 UDP 上，一般能支持更多的活跃用户
分组首部开销小，每个 TCP 报文段都有 20 字节的首部开销，而 UDP 仅仅只有 8 字节的开销。

这里需要注意一点，并不是所有使用 UDP 协议的应用层都是不可靠的，应用程序可以自己实现可靠的数据传输，通过增加确认和重传机制。所以使用 UDP 协议最大的特点就是速度快。

2.2、UDP 结构

每个 UDP 报文分为 UDP 报头和 UDP 数据区两部分。报头由 4 个 16 位长（2 字节）字段组成，分别说明该报文的源端口、目的端口、报文长度和校验值。

源端口号(Source Port) :这个字段占据 UDP 报文头的前 16 位，通常包含发送数据报的应用程序所使用的 UDP 端口。接收端的应用程序利用这个字段的值作为发送响应的目的地址。这个字段是可选项，有时不会设置源端口号。没有源端口号就默认为 0 ，通常用于不需要返回消息的通信中。

目标端口号(Destination Port): 表示接收端端口，字段长为 16 位

长度(Length): 该字段占据 16 位，表示 UDP 数据报长度，包含 UDP 报文头和 UDP 数据长度。因为 UDP 报文头长度是 8 个字节，所以这个值最小为 8，最大长度为 65535 字节。

校验和(Checksum)：UDP 使用校验和来保证数据安全性，UDP 的校验和也提供了差错检测功能，差错检测用于校验报文段从源到目标主机的过程中，数据的完整性是否发生了改变。发送方的 UDP 对报文段中的 16 比特字的和进行反码运算，求和时遇到的位溢出都会被忽略，

UDP 不可靠的原因是它虽然提供差错检测的功能，但是对于差错没有恢复能力更不会有重传机制。

3、TCP

3.1、TCP 特点

面向连接，是指发送数据之前必须在两端建立连接。建立连接的方法是“三次握手”，这样能建立可靠的连接。建立连接，是为数据的可靠传输打下了基础。关于“三次握手”TCP三次握手及四次挥手。
仅支持单播传输，每条TCP传输连接只能有两个端点，只能进行点对点的数据传输，不支持多播和广播传输方式。
面向字节流，TCP不像UDP一样那样一个个报文独立地传输，而是在不保留报文边界的情况下以字节流方式进行传输。
可靠传输，对于可靠传输，判断丢包，误码靠的是TCP的序号以及确认号。TCP为了保证报文传输的可靠，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认(ACK)；如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传。
提供拥塞控制，当网络出现拥塞的时候，TCP能够减小向网络注入数据的速率和数量，缓解拥塞。
TCP提供全双工通信，TCP允许通信双方的应用程序在任何时候都能发送数据，因为TCP连接的两端都设有缓存，用来临时存放双向通信的数据。当然，TCP可以立即发送一个数据段，也可以缓存一段时间以便一次发送更多的数据段（最大的数据段大小取决于MSS）。

关于全双工通信：

单工通信：单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；在同一时间只有一方能接受或发送信息，不能实现双向通信，比如广播、电视等。

双工通信是一种点对点系统，由两个或者多个在两个方向上相互通信的连接方或者设备组成。双工通信模型有两种：全双工(FDX)和半双工(HDX)

全双工：在全双工系统中，连接双方可以相互通信，一个最常见的例子就是电话通信。全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。
半双工：在半双工系统中，连接双方可以彼此通信，但不能同时通信，比如对讲机，只有把按钮按住的人才能够讲话，只有一个人讲完话后另外一个人才能讲话。

3.2、TCP结构

TCP 的报文段结构如下图所示：

TCP 报文段结构相比 UDP 报文结构多了很多内容。但是前两个 32 比特的字段是一样的。它们是 源端口号 和 目标端口号，我们知道，这两个字段是用于多路复用和多路分解的。另外，和 UDP 一样，TCP 也包含校验和(checksum field) ，除此之外，TCP 报文段首部还有下面这些

32 比特的序号字段(sequence number field) 和 32 比特确认号字段(acknowledgment number field) 。这些字段被 TCP 发送方和接收方用来实现可靠的数据传输。
4 比特的首部字段长度字段(header length field)，这个字段指示了以 32 比特的字为单位的 TCP 首部长度。TCP 首部的长度是可变的，但是通常情况下，选项字段为空，所以 TCP 首部字段的长度是 20 字节。
16 比特的接收窗口字段(receive window field) ，这个字段用于流量控制。它用于指示接收方能够/愿意接受的字节数量
可变的选项字段(options field)，这个字段用于发送方和接收方协商最大报文长度，也就是 MSS 时使用
6 比特的 标志字段(flag field)， ACK 标志用于指示确认字段中的值是有效的，这个报文段包括一个对已被成功接收报文段的确认；RST、SYN、FIN 标志用于连接的建立和关闭；CWR 和 ECE 用于拥塞控制；PSH 标志用于表示立刻将数据交给上层处理；URG 标志用来表示数据中存在需要被上层处理的紧急数据。紧急数据最后一个字节由 16 比特的紧急数据指针字段(urgeent data pointer field) 指出。一般情况下，PSH 和 URG 并没有使用。

4、TCP和UDP的比较

以下是简单的比较：

	UDP	TCP
是否连接	无连接	面向连接
是否可靠	不可靠传输，不使用流量控制和拥塞控制	可靠传输，使用流量控制和拥塞控制
连接对象个数	支持一对一，一对多，多对一和多对多交互通信	只能是一对一通信
传输方式	面向报文	面向字节流
首部开销	首部开销小，仅8字节	首部最小20字节，最大60字节
适用场景	适用于实时应用（IP电话、视频会议、直播等）	适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输

参考资料：

integration spring tcp udp