前端工程师如何理解 TCP/IP 传输层协议？

网络协议是每一个前端工程师都必需要掌握的知识，TCP/IP 中有两个具备表明性的传输层协议，分别是 TCP 和 UDP，本文将介绍下这二者以及它们之间的区别。

TCP/IP网络模型

计算机与网络设备要相互通讯，双方就必须基于相同的方法。好比，如何探测到通讯目标、由哪一边先发起通讯、使用哪一种语言进行通讯、怎样结束通讯等规则都须要事先肯定。不一样的硬件、操做系统之间的通讯，全部的这一切都须要一种规则。而咱们就把这种规则称为协议（protocol）。

TCP/IP 是互联网相关的各种协议族的总称，好比：TCP，UDP，IP，FTP，HTTP，ICMP，SMTP 等都属于 TCP/IP 族内的协议。

TCP/IP模型是互联网的基础，它是一系列网络协议的总称。这些协议能够划分为四层，分别为链路层、网络层、传输层和应用层。

• 链路层：负责封装和解封装IP报文，发送和接受ARP/RARP报文等。
• 网络层：负责路由以及把分组报文发送给目标网络或主机。
• 传输层：负责对报文进行分组和重组，并以TCP或UDP协议格式封装报文。
• 应用层：负责向用户提供应用程序，好比HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

 

在网络体系结构中网络通讯的创建必须是在通讯双方的对等层进行，不能交错。 在整个数据传输过程当中，数据在发送端时通过各层时都要附加上相应层的协议头和协议尾（仅数据链路层须要封装协议尾）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讯协议。接下去介绍TCP/IP 中有两个具备表明性的传输层协议——TCP 和 UDP。

UDP

UDP协议全称是用户数据报协议，在网络中它与TCP协议同样用于处理数据包，是一种无链接的协议。在OSI模型中，在第四层——传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送以后，是没法得知其是否安全完整到达的。

它有如下几个特色：

一、面向无链接

首先 UDP 是不须要和 TCP同样在发送数据前进行三次握手创建链接的，想发数据就能够开始发送了。而且也只是数据报文的搬运工，不会对数据报文进行任何拆分和拼接操做。

具体来讲就是：

• 在发送端，应用层将数据传递给传输层的 UDP 协议，UDP 只会给数据增长一个 UDP 头标识下是 UDP 协议，而后就传递给网络层了；
• 在接收端，网络层将数据传递给传输层，UDP 只去除 IP 报文头就传递给应用层，不会任何拼接操做。

二、有单播，多播，广播的功能

UDP 不止支持一对一的传输方式，一样支持一对多、多对多、多对一的方式，也就是说 UDP 提供了单播、多播、广播的功能。

三、UDP是面向报文的

发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。所以，应用程序必须选择合适大小的报文。

四、不可靠性

首先不可靠性体如今无链接上，通讯都不须要创建链接，想发就发，这样的状况确定不可靠。而且收到什么数据就传递什么数据，而且也不会备份数据，发送数据也不会关心对方是否已经正确接收到数据了。

再者网络环境时好时坏，可是 UDP 由于没有拥塞控制，一直会以恒定的速度发送数据。即便网络条件很差，也不会对发送速率进行调整。这样实现的弊端就是在网络条件很差的状况下可能会致使丢包，可是优势也很明显，在某些实时性要求高的场景（好比电话会议）就须要使用 UDP 而不是 TCP。

 

从上面的动态图能够得知，UDP只会把想发的数据报文一股脑的丢给对方，并不在乎数据有无安全完整到达。

五、头部开销小，传输数据报文时是很高效的

 

UDP 头部包含了如下几个数据：

• 两个十六位的端口号，分别为源端口（可选字段）和目标端口；
• 整个数据报文的长度；
• 整个数据报文的检验和（IPv4 可选 字段），该字段用于发现头部信息和数据中的错误。

所以 UDP 的头部开销小，只有八字节，相比 TCP 的至少二十字节要少得多，在传输数据报文时是很高效的。

TCP

当一台计算机想要与另外一台计算机通信时，两台计算机之间的通讯须要畅通且可靠，这样才能保证正确收发数据。例如，当你想查看网页或查看电子邮件时，但愿完整且按顺序查看网页，而不丢失任何内容。当你下载文件时，但愿得到的是完整的文件，而不只仅是文件的一部分，由于若是数据丢失或乱序，都不是你但愿获得的结果，因而就用到了TCP。

TCP协议全称是传输控制协议是一种面向链接的、可靠的、基于字节流的传输层通讯协议，由 IETF 的RFC 793定义。TCP 是面向链接的、可靠的流协议。流就是指不间断的数据结构，你能够把它想象成排水管中的水流。

一、TCP链接过程

以下图所示，能够看到创建一个TCP链接的过程为（三次握手的过程）:

 

• 第一次握手：客户端向服务端发送链接请求报文段。该报文段中包含自身的数据通信初始序号。请求发送后，客户端便进入 SYN-SENT 状态。
• 第二次握手：服务端收到链接请求报文段后，若是赞成链接，则会发送一个应答，该应答中也会包含自身的数据通信初始序号，发送完成后便进入 SYN-RECEIVED 状态。
• 第三次握手：当客户端收到链接赞成的应答后，还要向服务端发送一个确认报文。客户端发完这个报文段后便进入 ESTABLISHED 状态，服务端收到这个应答后也进入 ESTABLISHED 状态，此时链接创建成功。

这里可能你们会有个疑惑：为何 TCP 创建链接须要三次握手，而不是两次？这是由于这是为了防止出现失效的链接请求报文段被服务端接收的状况，从而产生错误。

 

二、TCP断开连接

 

TCP 是全双工的，在断开链接时两端都须要发送 FIN 和 ACK。

• 第一次握手：若客户端 A 认为数据发送完成，则它须要向服务端 B 发送链接释放请求。
• 第二次握手：B 收到链接释放请求后，会告诉应用层要释放 TCP 连接。而后会发送 ACK 包，并进入 CLOSE_WAIT 状态，此时代表 A 到 B 的链接已经释放，再也不接收 A 发的数据了。可是由于 TCP 链接是双向的，因此 B 仍旧能够发送数据给 A。
• 第三次握手：B 若是此时还有没发完的数据会继续发送，完毕后会向 A 发送链接释放请求，而后 B 便进入 LAST-ACK 状态。
• 第四次握手：A 收到释放请求后，向 B 发送确认应答，此时 A 进入 TIME-WAIT 状态。该状态会持续 2MSL（最大段生存期，指报文段在网络中生存的时间，超时会被抛弃） 时间，若该时间段内没有 B 的重发请求的话，就进入 CLOSED 状态。当 B 收到确认应答后，也便进入 CLOSED 状态。

三、TCP协议的特色

• 面向链接：面向链接，是指发送数据以前必须在两端创建链接。创建链接的方法是“三次握手”，这样能创建可靠的链接。创建链接，是为数据的可靠传输打下了基础。
• 仅支持单播传输：每条TCP传输链接只能有两个端点，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同样那样一个个报文独立地传输，而是在不保留报文边界的状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的段编号以及确认号。TCP为了保证报文传输的可靠，就给每一个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。而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)；若是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可以减少向网络注入数据的速率和数量，缓解拥塞。
• TCP提供全双工通讯：TCP容许通讯双方的应用程序在任什么时候候都能发送数据，由于TCP链接的两端都设有缓存，用来临时存放双向通讯的数据。固然，TCP能够当即发送一个数据段，也能够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）。

TCP和UDP的比较

一、对比

 

二、总结

• TCP向上层提供面向链接的可靠服务 ，UDP向上层提供无链接不可靠服务。
• 虽然 UDP 并无 TCP 传输来的准确，可是也能在不少实时性要求高的地方有所做为。
• 对数据准确性要求高，速度能够相对较慢的，能够选用TCP。