TCP 与 UDP 详解

TCP 与 UDP 是传输层的两大核心协议。本章对比两者的特性，详解 TCP 的三次握手、四次挥手以及可靠性保障机制。

一、核心区别

对比项	TCP	UDP
全称	Transmission Control Protocol（传输控制协议）	User Data Protocol（用户数据包协议）
连接方式	面向连接	面向无连接
建立连接	三次握手	不需要
断开连接	四次挥手	不需要
报头长度	最小 20 字节	仅 8 字节
传输模式	面向字节流	面向报文
可靠性	可靠交付	尽最大努力交付，不保证可靠
效率	慢，占用资源高	快，开销小
应用场景	文件传输、网页浏览等	音视频通话、游戏、DNS 等

二、面向字节流与面向报文

面向报文（UDP）： 应用层交给 UDP 多长的报文，UDP 就照样发送，即一次发送一个报文。因此应用程序必须选择合适大小的报文：太长 IP 层需要分片降低效率，太短则 IP 头开销占比过大。UDP 对应用层交下来的报文既不合并也不拆分，保留报文的边界。

面向字节流（TCP）： 虽然应用程序与 TCP 的交互是一次一个数据块（大小不等），但 TCP 把应用程序看成是一连串无结构的字节流。TCP 有缓冲：数据块太长可划分短一些再传，太短则等待积累足够字节后再构成报文段发送。

三、TCP 三次握手

客户端                          服务器
  |                              |
  |---- SYN=1, SEQ=X ----------->|  1. 客户端发送连接请求
  |<--- SYN=1, ACK=X+1, SEQ=Y ---|  2. 服务器确认并同意连接
  |---- ACK=Y+1, SEQ=X+1 ------->|  3. 客户端确认

1. 客户端发送：SYN = 1, SEQ = X（请求建立连接）。
2. 服务器回复：SYN = 1, ACK = X + 1, SEQ = Y（同意连接）。
3. 客户端发送：ACK = Y + 1（确认收到）。

确认应答信号 ACK = 收到的 SEQ + 1；连接建立过程中同步信号 SYN 始终为 1，建立后 SYN = 0。

为什么需要三次握手？ 防止已失效的连接请求报文突然又传到服务器，导致服务器建立不必要的连接，浪费资源。三次握手可以让双方都确认"自己发送能力、接收能力正常"。

四、TCP 四次挥手

客户端                          服务器
  |                              |
  |---- FIN = 1 ---------------->|  1. A 提出停止连接请求
  |<--- ACK = 1 -----------------|  2. B 确认收到
  |                              |      （B 可能还有数据要发送）
  |<--- FIN = 1 -----------------|  3. B 提出停止连接请求
  |---- ACK = 1 ---------------->|  4. A 确认收到

1. A 向 B 提出停止连接请求（FIN = 1）。
2. B 收到，回复 ACK = 1。
3. B 向 A 提出停止连接请求（FIN = 1）——此时 B 可能还有数据未发送完。
4. A 收到，回复 ACK = 1，连接关闭。

为什么是四次？ 因为 TCP 是全双工通信，A 发送 FIN 只代表 A 不再发送数据，B 可能还有数据要发给 A，所以 B 的确认（第 2 步）和 B 的结束请求（第 3 步）必须分开发送。

五、TCP 的可靠性保障

优点（可靠、稳定）：

1. 传递数据前，三次握手建立连接。
2. 传递数据时，有确认、窗口、重传、拥塞控制机制。
3. 传递数据后，断开连接节省系统资源。

如何保证接收的顺序性？

TCP 使用 SEQ 和 ACK 机制保证顺序性：每个报文都有序号，确认应答信号 ACK = 收到的 SEQ + 1，接收方按序号重组数据。

缺点（代价）：

1. 传输慢、效率低、占用系统资源高：建立连接耗时，确认、重传、拥塞控制消耗大量时间和 CPU/内存资源。
2. 易被攻击：因为有确认机制、三次握手等机制，容易被人利用实现 DoS / DDoS 攻击（如 SYN Flood）。

六、UDP 的特点

• 传输数据前源端和终端不建立连接，想传送时直接抓取应用程序的数据发送。
• 发送速度仅受应用程序生成数据的速度、计算机能力和传输带宽限制。
• 接收端把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
• 不需要维护连接状态（收发状态），一台服务器可同时向多个客户机传输相同消息。
• 信息包标题短（8 字节），额外开销小。
• 吞吐量不受拥塞控制算法调节。
• 使用"尽最大努力交付"，主机不需要维持复杂的连接状态表。

使用 ping 命令测试两台主机之间 TCP/IP 通信是否正常，其原理就是向对方主机发送数据包，对方确认收到后及时反馈，网络就是通的。