网络编程入门介绍：TCP 和 UDP

简介

在计算机网络中，TCP（传输控制协议）和 UDP（用户数据报协议）是两种常用的传输层协议。它们在数据传输方式、可靠性和用途上有显著差异。本文将通俗易懂地介绍 TCP 和 UDP，帮助新手理解这两种协议。
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TCP：传输控制协议

TCP 的特点

面向连接：TCP 在传输数据之前需要建立连接，类似于打电话前要拨号。
可靠性：TCP 确保数据包按顺序、无丢失地传输到目标设备。
流量控制：TCP 管理发送和接收数据的速率，避免网络拥塞。
错误检测和恢复：TCP 能够检测数据传输中的错误，并进行重传。

TCP 如何工作

建立连接：TCP 使用“三次握手”建立连接。
- 客户端发送 SYN 请求。
- 服务器收到请求并返回 SYN-ACK 确认。
- 客户端收到确认后再发送 ACK 确认，连接建立。
数据传输：数据以段（Segment）为单位传输，每个段都包含序号，接收方按序接收并确认。
断开连接：使用“四次挥手”断开连接。
- 客户端发送 FIN 请求。
- 服务器收到请求并返回 ACK 确认。
- 服务器发送 FIN 请求。
- 客户端收到请求后返回 ACK 确认，连接断开。

TCP 示例

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场景：下载文件

客户端请求下载文件，使用 TCP 连接确保文件完整无误地传输到客户端。

TCP 实践样例

下面是一个使用 Python 实现 TCP 客户端和服务器的示例：

TCP 服务器

import socket# 创建TCP/IP套接字
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 绑定套接字到地址和端口
server_address = ('localhost', 65432)
server_socket.bind(server_address)# 监听传入连接
server_socket.listen(1)print('等待连接...')
connection, client_address = server_socket.accept()try:print('连接来自', client_address)# 接收数据并发送回去while True:data = connection.recv(1024)if data:print('收到:', data.decode())connection.sendall(data)else:break
finally:# 关闭连接connection.close()

TCP 客户端

import socket# 创建TCP/IP套接字
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)# 连接服务器
server_address = ('localhost', 65432)
client_socket.connect(server_address)try:# 发送数据message = '这是一个测试消息。'.encode()client_socket.sendall(message)# 接收响应data = client_socket.recv(1024)print('收到:', data.decode())
finally:# 关闭连接client_socket.close()

在这个示例中，TCP 服务器在 localhost 上的 65432 端口监听传入连接。客户端连接到服务器并发送一个测试消息。服务器接收消息并将其回显给客户端。

UDP：用户数据报协议

UDP 的特点

无连接：UDP 不需要建立连接，直接发送数据，类似于发短信。
不保证可靠性：UDP 不保证数据包的顺序和完整性，适用于对可靠性要求不高的场景。
快速传输：UDP 适合实时应用，如视频流和在线游戏。

UDP 如何工作

直接发送数据：UDP 将数据打包成数据报（Datagram），附加源和目的信息后直接发送。
无确认机制：发送方不等待接收方的确认，数据包可能丢失或乱序。

UDP 示例

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场景：视频通话

视频通话需要快速传输数据，允许少量数据丢失，不影响整体体验，因此使用 UDP。

UDP 实践样例

下面是一个使用 Python 实现 UDP 客户端和服务器的示例：

UDP 服务器

import socket# 创建UDP套接字
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)# 绑定套接字到地址和端口
server_address = ('localhost', 65432)
server_socket.bind(server_address)print('等待数据...')while True:data, address = server_socket.recvfrom(4096)print('收到:', data.decode(), '来自:', address)if data:sent = server_socket.sendto(data, address)

UDP 客户端

import socket# 创建UDP套接字
client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)server_address = ('localhost', 65432)
message = '这是一个测试消息。'.encode()try:# 发送数据print('发送:', message.decode())sent = client_socket.sendto(message, server_address)# 接收响应data, server = client_socket.recvfrom(4096)print('收到:', data.decode())
finally:client_socket.close()

在这个示例中，UDP 服务器在 localhost 上的 65432 端口等待数据。客户端发送一个测试消息到服务器，服务器接收消息并将其回显给客户端。

TCP 与 UDP 的比较

特性	TCP	UDP
连接类型	面向连接	无连接
可靠性	高	低
传输顺序	保证	不保证
速度	较慢	较快
传输单元	段（Segment）	数据报（Datagram）
典型应用	文件传输、网页浏览	视频流、在线游戏