TCP 与 UDP 传输协议
TCP 是「可靠」的传输协议，而 UDP 是「不可靠」的传输协议。
TCP 所有的特性都围绕着如何让 TCP 更加「可靠」而展开。
UDP 没有「可靠」的设计，换来的是更快的传输速度与更低的延迟。
1. TCP 与 UDP 简述
1.1. TCP 与 UDP 的核心区别
网络模型一章提到过，传输层关注的是如何传输应用层的数据。
为了应对不同的传输场景，传输层提供了两种不同的传输协议：
- TCP：Transmission Control Protocol，传输控制协议。
- UDP：User Datagram Protocol，用户数据报协议。
虽然全名很难记，但是大部分时候，我们只需要记住：
TCP 是可靠的传输协议，而 UDP 是不可靠的传输协议。
这也是这两个协议最核心的区别。
1.2. TCP 与 UDP 的使用场景
既然 TCP 是可靠的传输协议，那么就用于需要保证数据完整性的场景。常见的有：
- 浏览网页、视频、图片等等
- 下载文件
- 收发邮件
而 UDP 则用于对数据完整性要求不高，但是期望有更低的延迟的场景，常见的有：
- 视频会议
- 在线游戏
2. TCP
2.1. 可靠传输需要面对的问题
在谈及 TCP 为什么是 「可靠」 的传输协议之前，我们先来了解一下网络传输过程中，可能会面对的问题。
网络传输面对的最根本的问题：
网络本身是不可靠的
相信我们日常生活中都遇到过这些问题：
- 下载文件下载到了一半就丢失了
- 语音电话、视频会议的时候，对方的声音忽然断断续续的
- 网页上的图片加载了一半，突然就卡住了，无法加载剩下的一半
这都是网络不稳定导致的传输问题（当然，第 2 个例子通常会使用 UDP 协议）。
而 TCP，就是为了保证尽可能地将数据，从发送方完整地传输到接收方。它的「可靠」，就是解决了网络传输中，网络不稳定可能导致的种种问题。
2.2. TCP 可靠性设计
2.2.1. 面向连接
TCP 是「面向连接」的协议。
如何理解 TCP 的面向连接？它要求在传输数据之前，数据的「发送方」与「接收方」保证一件事情：
发送方可以收到接收方的「消息」，接收方也可以收到发送方的「消息」。
当双方都保证可以收到对方的消息后，才会开始传输数据。建立连接的过程，被称为「三次握手」。
同样，在数据传输之后，也要确保所有的数据都传输完成，这个过程被称为「四次挥手」。
TCP 握手与挥手的过程，我们会在 TCP 三次握手与四次挥手 中详细讨论。
2.2.2. 数据分段
如果一次传输大量的数据，比如一个 1000MB 的视频，那么一旦因网络波动导致传输失败，就需要重新传输一整个文件。这显然是不可接受的。
因此 TCP 在传输数据时，会尽可能地将数据分割成更小的数据包，然后分批次传输。
这样做的好处是，即使网络波动导致数据包丢失，也只需要传输丢失的数据包即可，避免重新传输一整个文件。
同样每一个分段也会有一个序号，这样接收方在接收到数据后，可以按照序号重新组装成原始数据。如果丢失了某个数据包，也可以告诉发送方缺失的序号，发送方会重新传输。
2.2.3. 校验与重传
解决了数据分段的问题后，接下来还要保证我们接受的数据包的正确性。网络传输的不确定性，让我们可能会接收到不完整的数据包，或者错误的数据包。
一个简单的解决办法是，计算传输内容的「校验和」，接收方接收到数据包后，重新计算一下校验和，如果与发送方计算的校 验和一致，则认为数据包是完整的。
2.2.4. 拥塞控制
TCP 的可靠性设计，还包含了对网络拥塞的控制。
网络拥塞，会导致数据包的丢失。TCP 会通过「拥塞控制」来避免网络拥塞。
拥塞控制的核心思想是，当网络拥塞时，降低发送方的发送速率。
2.3. TCP 头部
一个典型的 TCP 数据包通常分为两个部分：
- TCP 头部 - TCP Header
- TCP 负载 - TCP Payload
负载就是需要传输的内容，这里我们重点讨论 TCP 头部。
完整的 TCP 头部内容比较多，完全记住难度很大，也没有必要。只需要记住，保证 TCP 可靠性的字段，都存储在 TCP 头部。
TCP 头部中，最重要的字段是：
- 源端口 - Source Port：发送方的端口
- 目的端口 - Destination Port：接收方的端口，与源端口共同标识一个连接，TCP 与 UDP 共用的头部
- 序列号 - Sequence Number：当前接收到的数据包的序号
- 确认号 - Acknowledgment Number：期望的下一个数据包的序号
- 窗口大小 - Window Size：通知对方自己还能接收多少数据，用于流量控制
- 校验和 - Checksum：用于校验数据包的完整性
- 标志位 - Flags：用于控制 TCP 的连接状态，比如「三次挥手」与「四次挥手」中
这些也对应了我们提到的 TCP 可靠性的设计。
另附一个完整的 TCP 头部示例：
3. UDP
3.1. TCP 的额外开销
与 TCP 相对，UDP 是「不可靠」的传输协议。
UDP 牺牲了 TCP 中「可靠」的设计，换来的是更快的传输速度与更低的延迟。
回看 TCP 的设计，每一个保证完整性的操作，都需要额外的开销。最基本的开销就是建立连接。TCP 需要经历三次握手，建立连接后，才会开始传输数据。距离真实的数据传输，已经经历了两个“来回”的网络延迟。
类似的操作还有很多，这些操作都会导致 TCP 在发送数据包之前，有额外的操作。
3.2. UDP 的特点
UDP 抛弃了 TCP 中「可靠」的设计，在传输数据上，UDP 会显得更加“直接”。
UDP 在发送数据的时候，只保证数据切实地「发出」了，至于数据是否到达接收方，UDP 并不关心。
比如说，在一个视频会议中，我们可以接受偶尔的断联，但是更多时候，还是希望对方的声音是流畅的。
3.3. UDP 的头部
UDP 的头部比较简单，
- 源端口 - Source Port
- 目的端口 - Destination Port
- 长度 - Length：UDP 数据包的长度
- 校验和 - Checksum：用于校验数据包的完整性
与 TCP 不同的是，UDP 有一个「长度」字段。这是因为在 TCP 中，数据被分段传输，通过序号我们可以拼凑出原始数据。
而 UDP 中，会将数据一次性发送出去，因此我们需要知道数据包的长度，这样我们才能知道数据包的边界。
4. 总结
TCP 与 UDP 是传输层中最重要的两个传输协议。
最核心的区别就是：TCP 是「可靠」的传输协议，而 UDP 是「不可靠」的传输协议。
围绕着 TCP 「可靠」的设计，TCP 有如下的特性：
- 面向连接
- 数据分段
- 校验与重传
- 拥塞控制
UDP 牺牲了 TCP 中「可靠」的设计，换来的是更快的传输速度与更低的延迟。