TCP 和 UDP 基本认知

什么是 TCP ？

TCP 是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

• 面向连接：一定是「一对一」才能连接，不能像 UDP 协议可以一个主机同时向多个主机发送消息，也就是一对多是无法做到的；
  
• 可靠的：无论的网络链路中出现了怎样的链路变化，TCP 都可以保证一个报文一定能够到达接收端；
  
• 字节流：用户消息通过 TCP 协议传输时，消息可能会被操作系统「分组」成多个的 TCP 报文，如果接收方的程序如果不知道「消息的边界」，是无法读出一个有效的用户消息的。并且 TCP 报文是「有序的」，当「前一个」TCP 报文没有收到的时候，即使它先收到了后面的 TCP 报文，那么也不能扔给应用层去处理，同时对「重复」的 TCP 报文会自动丢弃。
  

什么是 TCP 连接？

用于保证可靠性和流量控制维护的某些状态信息，这些信息的组合，包括 Socket、序列号和窗口大小称为连接。

建立一个 TCP 连接是需要客户端与服务端达成三个信息的共识。

• Socket：由 IP 地址和端口号组成
• 序列号：用来解决乱序问题等
• 窗口大小：用来做流量控制

如何唯一确定一个 TCP 连接呢？

TCP 四元组可以唯一的确定一个连接，四元组包括如下：

• 源地址
• 源端口
• 目的地址
• 目的端口

源地址和目的地址的字段（32 位）是在 IP 头部中，作用是通过 IP 协议发送报文给对方主机。

源端口和目的端口的字段（16 位）是在 TCP 头部中，作用是告诉 TCP 协议应该把报文发给哪个进程。

服务端单机最大 TCP 连接数？

服务端监听了一个端口，它的 TCP 的最大连接数是 客户端的 IP 数（2322^{32}232） * 客户端的端口数（2162^{16}216），即服务端单机最大 TCP 连接数，约为 2482^{48}248 次方。

但是实际的数量远小于这个数，受下面因素限制：

• 文件描述符限制，每个 TCP 连接都是一个文件，如果文件描述符被占满了，会发生 Too many open files。Linux 对可打开的文件描述符的数量分别作了三个方面的限制：

• 系统级：当前系统可打开的最大数量，通过 cat /proc/sys/fs/file-max 查看；
• 用户级：指定用户可打开的最大数量，通过 cat /etc/security/limits.conf 查看；
• 进程级：单个进程可打开的最大数量，通过 cat /proc/sys/fs/nr_open 查看；

• 内存限制，每个 TCP 连接都要占用一定内存，操作系统的内存是有限的，如果内存资源被占满后，会发生 OOM。

为什么需要 TCP 协议？ TCP 工作在哪一层？

如果需要保障网络数据包的可靠性，那么就需要由上层（传输层）的 TCP 协议来负责。

因为 TCP 是一个工作在传输层的可靠数据传输的服务，它能确保接收端接收的网络包是无损坏、无间隔、非冗余和按序的。

UDP 和 TCP 有什么区别呢？分别的应用场景是？

UDP 不提供复杂的控制机制，利用 IP 提供面向「无连接」的通信服务。

TCP 和 UDP 区别：

1. 连接

• TCP 是面向连接的传输层协议，传输数据前先要建立连接。
• UDP 是不需要连接，即刻传输数据。

2. 服务对象

• TCP 是一对一的两点服务，即一条连接只有两个端点。
• UDP 支持一对一、一对多、多对多的交互通信

3. 可靠性

• TCP 是可靠交付数据的，数据可以无差错、不丢失、不重复、按序到达。
• UDP 是尽最大努力交付，不保证可靠交付数据。但是我们可以基于 UDP 传输协议实现一个可靠的传输协议，对数据简单的进行检查。

4. 拥塞控制、流量控制

• TCP 有拥塞控制和流量控制机制，保证数据传输的安全性。
• UDP 则没有，即使网络非常拥堵了，也不会影响 UDP 的发送速率。

5. 首部开销

• TCP 首部长度较长，会有一定的开销，首部在没有使用「选项」字段时是 20 个字节，如果使用了「选项」字段则会变长的。
• UDP 首部只有 8 个字节，并且是固定不变的，开销较小。

6. 传输方式

• TCP 是流式传输，没有边界，但保证顺序和可靠。
• UDP 是一个包一个包的发送，是有边界的，但可能会丢包和乱序。

7. 分片不同

• TCP 的数据大小如果大于 MSS 大小，则会在传输层进行分片，目标主机收到后，也同样在传输层组装 TCP 数据包，如果中途丢失了一个分片，只需要传输丢失的这个分片。
• UDP 的数据大小如果大于 MTU 大小，则会在 IP 层进行分片，目标主机收到后，在 IP 层组装完数据，接着再传给传输层。

TCP 和 UDP 应用场景：

由于 TCP 是面向连接，能保证数据的可靠性交付，因此经常用于：

• FTP 文件传输；
• HTTP / HTTPS；

由于 UDP 面向无连接，它可以随时发送数据，再加上 UDP 本身的处理既简单又高效，因此经常用于：

• 包总量较少的通信，如 DNS 、SNMP 等；
• 视频、音频等多媒体通信；
• 广播通信；

总结

TCP和UDP的区别：

1. 连接性：

• TCP： 是面向连接的协议。在数据传输之前，需要进行三次握手建立连接，然后进行数据传输，最后进行四次挥手关闭连接。提供可靠的、有序的、面向连接的数据流。
• UDP： 是面向无连接的协议。每个数据包都是独立的，发送者和接收者之间没有明确的连接。不保证数据包的可靠性和有序性。

2. 可靠性：

• TCP： 通过序号、确认和重传机制保证数据的可靠性。如果数据包丢失，TCP会进行重传，直到对方确认收到。
• UDP： 不提供可靠性保证，数据包的发送与接收没有确认机制，也没有重传机制。

3. 流量控制和拥塞控制：

• TCP： 提供流量控制和拥塞控制，确保数据的有序传输，并且在网络拥塞时会调整传输速率。
• UDP： 没有流量控制和拥塞控制机制，数据包尽最大努力交付。

4. 适用场景：

• TCP： 适用于要求可靠性、有序性的应用，如网页浏览、文件传输等。
• UDP： 适用于实时性要求较高，可以容忍一些数据丢失的应用，如音视频传输、在线游戏等。

5. 头部开销：

• TCP： 头部开销较大，包含序号、确认号、窗口大小等信息。
• UDP： 头部开销较小，只包含基本的源端口、目标端口、长度和校验和等信息。

总体而言，选择TCP还是UDP取决于应用的需求，如果需要可靠性和有序性，选择TCP；如果对实时性要求高，可以容忍一些数据丢失，选择UDP。