计算机网络——TCP和UDP协议

目录

前言

前篇

引言

TCP与UDP之间的区别

TCP

三次握手

为什么要三次握手而不是两次握手?

丢包问题与乱序问题的解决

四次挥手

为什么客户端需要等待超时时间?

UDP协议

TCP和UDP的主要区别


前言

本博客是博主用于复习计算机网络的博客,如果疏忽出现错误,还望各位指正。

这篇博客是在B站掌芝士zzs这个UP主的视频的总结,讲的非常好。

可以先去看一篇视频,再来参考这篇笔记(或者说直接偷走)。

一条视频讲清楚TCP协议与UDP协议-什么是三次握手与四次挥手_哔哩哔哩_bilibili

前篇

  1. 计算机网络——MAC地址和IP地址-CSDN博客
  2. 计算机网络——交换机和路由器-CSDN博客
  3. 计算机网络——网络地址转换(NAT)技术-CSDN博客

引言

对于TCP协议和UDP协议大家应该都有所耳闻。我们常用的网络通讯,比如浏览网页、软件、聊天以及你现在正在收看的视频,都是通过这两种协议来进行数据传输的。到底他们是如何工作的这两种协议又有什么区别呢?

TCP与UDP之间的区别

TCP协议和UDP协议都工作在传输层,他们的目标都是在程序之间传输数据,数据可以是文本文件,可以是视频,也可以是图片。对于TCP协议和UDP协议来说都是一堆二进制数,并没有多大的区别。

最大的区别是一个基于连接,一个基于非连接。

具体是什么意思?

举一个简单的例子。

如果把人与人的通信比喻为进程与进程的通信,我们基本有两种方式。

第一种方式是写信,第二种方式是打电话。

如果不考虑速度因素,这两种方式之间最大的区别是什么?

就是信寄出去之后,对方是否能收到,以及收到的信内容是否完整,先后寄两封信过去是否按照顺序接收,都变成了未知数,甚至你填写的收信地址和收信人是否存在,你都无法确认。

而打电话则不同,从拨打电话到对方接通互相通话,再到结束通话后挂断,这一系列的流程都能得到及时的反馈,并且能确认对方准确的接收到。

打电话是基于连接的,也就是TCP,而写信就是基于非连接的,就是UDP

TCP是如何保证以上过程的有三个关键的步骤,分别为三次握手、传输确认、四次挥手。

TCP

三次握手

三次握手是建立连接的过程。

  1. 当客户端向服务端发起连接时会先发一包连接请求数据过去,询问一下能否与你建立连接。这包数据我们称之为SYN同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)
  2. 如果对端同意连接,则回复一包SYN+ACK包
  3. 客户端收到之后回复一包ACK包(Acknowledge character)确认字符,连接建立。

因为这个过程中互相发送了三包数据,所以称之为三次握手。

为什么要三次握手而不是两次握手?

为什么不服务端回复完SYN+ACK之后就建立连接?

这是为了防止因为已失效的请求报文突然又传到服务器引起错误。

假设采用两次握手建立连接,客户端向服务端发送了一个SYN包来请求建立连接,因为某些未知的原因并没有到达服务器,在中间某个网络节点产生了滞留。

为了建立连接,客户端会重发赠包。这次的数据包正常送达,服务端回复SYN+ACK后建立起了连接。

但是第一包数据阻塞的网络节点突然恢复,第一包送包又送达到服务端。

这时服务端会误认为是客户端又发起了一个新的连接,从而在两次握手之后进入等待数据状态。

服务端认为是两个连接,而客户端认为是一个连接,造成的状态不一致。

如果在三次握手的情况下,服务端收不到最后的ACK包,自然不会认为连接建立成功。

所以三次握手本质上来说就是为了解决网络信道不可靠的问题。

为了能够在不可靠的信道上建立起可靠的软件。经过三次握手之后,客户端和服务端都进入了数据传输状态。TCP协议需要在不可靠的信道上保证可靠的连接。

丢包问题与乱序问题的解决

现在就有几个问题需要面对

  • 一包数据有可能会被拆成多包发送,如何处理丢包问题?
  • 这些数据包到达的先后顺序不同,如何处理乱序问题?

针对这些要求,TCP协议为每一个连接建立了一个发送缓冲区。

从建立连接后的第一个字节的序列号为零,后面每个字节的序列号就会增加。1,2,3,4……

发送数据时,从发送缓冲区取一部分数据组成发送报文,在其TCP协议头中会附带序列号和长度。

接收端在收到数据后需要回复确认报文,确认报文中的ACK等于接收序列号加长度,也就是下一包数据需要发送的起始序列号(序列号+长度)。

这样一问一答的发送方式,能够使发送端确认发送的数据已经被对方收到。

发送端也可以一次发送连续的多报数据,接收端只需要回复一次ACK就可以了。

这样发送端可以把待发送的数据分割成一系列的碎片发送到对端。

对端根据序列号和长度在接收后重构出来完整的数据。假设其中丢失了某些数据包,在接收端可以要求发送端重传。

比如丢失了100到199这100个字节,接收端向发送端发送X等于100的报文,发送端收到后重传这一包数据,接收端进行补齐。

以上过程不区分客户端和服务端,TCP连接是全双工的,对于两端来说均采用上述机制。

四次挥手

处于连接状态的客户端和服务端都可以发起关闭连接请求,需要四次挥手来进行连接关闭。

假设客户端主动发起连接关闭请求,他需要将服务端发起一包FIN包,表示要关闭连接,自己进入终止等待一状态。这是第一次挥手。

服务端收到FIN包发送一包ACK包,表示自己进入了关闭等待状态,客户端进入终止等待二状态。这是第二次挥手。

服务端此时还可以发送未发送的数据,而客户端还可以接收数据,待服务端发送完数据之后,发送一包FIN包,进入最后确认状态。这是第三次挥手。

客户端收到之后回复ACK包进入超时等待状态,经过超时时间后关闭连接。

而服务端收到ACK包后立即关闭连接,这是第四次挥手。

为什么客户端需要等待超时时间?

这是为了保证对方已收到ACK包。

因为假设客户端发送完最后一包ACK包后就释放了连接。一旦ACK包在网络中丢失,服务端将一直停留在最后确认状态。

如果客户端发送最后一包ACK包后等待一段时间,服务端还没有接收到,这时服务端因为没有收到ACK包会重发FIN包,客户端会响应这个FIN包重发ACK包并刷新超时时间。

这个机制跟三次握手一样,也是为了保证在不可靠的网络链路中进行可靠的连接断开确认。

UDP协议

首先UDP协议是基于非连接的发送数据,就是简单的把数据包封装一下,然后从网卡发出去就可以。

数据包之间并没有状态上的联系。

正因为UDP这种简单的处理方式,导致它的性能损耗非常少,对于CPU内存资源的占用也远小于TCP。但是对于网络传输过程中产生的丢包,UDP协议并不能保证。

所以UDP在传输稳定性上要弱于TCP。

TCP和UDP的主要区别

TCP传输数据稳定可靠,适用于对网络通讯质量要求较高的场景,需要准确无误的传输给对方,比如传输文件、发送邮件、浏览网页等。

UDP的优点是速度快,但是可能产生丢包,所以适用于对实时性要求较高,但是对少量丢包并没有太大要求的场景,比如域名查询、语音通话、视频直播等。

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