网络传输协议 UDP & TCP 详解

UDP协议&TCP协议

二者均位于OSI中的传输层，用于处理数据包的网络传输层协议

UDP协议（用户数据报协议）User Datagram Protocol

• 1、是⼀个⽆连接的简单的⾯向数据报的传输层协议。 UDP不提供可靠性， 它只是把应⽤程序传给IP层的数据报发送出去， 但是并不能保证它们能到达⽬的地。 由于UDP在传输数据报前不⽤在客户和服务器之间建⽴连接， 且没有超时重发等机制， 故⽽传输速度很快
• 2、UDP⼀般⽤于多点通信和实时的数据业务， ⽐如：
  • 语⾳⼴播
  • 视频
  • QQ
  • TFTP(简单⽂件传送）
• 可以理解为写信

UDP基本语法

# 客户端

import socket

# 1、创建'UDP'协议下的套接字对象
# 'type=socket.SOCK_DGRAM' 返回 'UDP'协议对象
sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)

# 2、向服务端发送数据
# 格式为：'UDP'协议对象.sendto(二进制字节流形式的消息数据, 服务端的(ip, port))
# 客户端在向服务端发送消息时，会将客户端的（ip + port）发送到服务端
# 端口是随机分配
msg = "你好！"
sk.sendto(msg.encode(), ("127.0.0.1", 8866))

# 3、客户端接收服务端发送过来的数据
msg, server_addr = sk.recvfrom(1024)
print(msg.decode())
print(server_addr)

# 4、退还端口，关闭套接字
sk.close()

# 服务端

import socket

# 1、创建'UDP'协议下的套接字对象
sk = socket.socket(type=socket.SOCK_DGRAM)

# 2、绑定服务端地址（ip + port）
sk.bind(("127.0.0.1", 8866))

# 3、'UDP'协议下的'socket'编程，服务端是先接受消息
msg, client_addr = sk.recvfrom(1024)
print(msg.decode())
print(client_addr)

# 4、服务端给客户端回复消息
msg = "你好呀！"
sk.sendto(msg.encode(), client_addr)

# 5、退还端口，关闭套接字
sk.close()

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TCP协议（传输控制协议）Transmission Control Protocol

• 1、是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，面向连接意味着两个使用TCP的应用（通常是一个客户端和一个服务器）在彼此交换数据包之前必须先建立一个TCP连接

• 2、TCP连接必须要经过三次握手才能建立起来，其中的过程如下：

  • 第一次握手：客户端先发送 SYN（SEQ=x）报文（请求同步）到服务端，并且进入SYN_SENT（请求连接）状态，等待服务器确认；

  • 第二次握手：服务端收到客户端发送过来的请求同步的 SYN报文之后，给客户端发送 同意连接 的 ACK（ACK=x+1）报文 ACK（确认响应）；同时也给客户端发送一个请求同步的 SYN （SEQ=y）报文，此时服务端进入SYN_RECV（SYN派遣状态）；

  • 第三次握手：客户端收到服务端发送的SYN + ACK两个报文之后，向服务端发送确认连接的ACK（ACK=y+1）报文，等此包发送完毕，客户端与服务端进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手，客户端与服务端正式开始传输数据

  图解如下：

  

• 3、终止一个TCP连接要经过四次挥手，其过程如下：

  • 第一次挥手：主动关闭方（active close） 调用close，会发送一个长度为0的数据包以及FIN分节（结束标志）用来关闭主动方与被动关闭方之间的数据传输，告诉被动关闭方：我不会再给你发数据了，但是，此时主动关闭方还可以接受数据；

  • 第二次挥手：被动关闭方收到FIN分节后，发送一个ACK给对方，确认序号为收到序号 + 1；

  • 第三次挥手：被动关闭方再给主动关闭方发送一个FIN，用来关闭被动关闭方与主动关闭方之间的数据传输，也就是告诉主动关闭方，我的数据也发送完了，不会再给你发数据了；

  • 第四次挥手：主动关闭方收到FIN后，发送一个ACK给被动关闭方，确认序号为收到序号 + 1，至此，完成四次挥手。

  图解如下：

  

  注意：TCP通过下列方式来提供可靠性:

1．应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。这和UDP完全不同，应用程序产生的数据长度将保持不变。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段（segment）。

2．当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。TCP有延迟确认的功能，在此功能没有打开，则是立即确认。功能打开，则由定时器触发确认时间点。

3．TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发端超时并重发）。

4．既然TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。

5．既然IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。

6．TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

汇总图解：

TCP基本语法

# 客户端

import socket

# 1、创建'TCP'协议下的套接字对象
# 'type=socket.SOCK_STREAM'可以省略
sk = socket.socket(type=socket.SOCK_STREAM)

# 2、客户端与服务端建立连接
sk.connect(("127.0.0.1", 6688))

# 3、客户端向服务端发送数据（二进制的字节流）
msg = "你好！"
sk.send(msg.encode("utf-8"))

# 4、退还端口，关闭套接字
sk.close()

# 服务端（简易未实现并发）

import socket

# 1、创建'TCP'协议下的套接字对象
sk = socket.socket()

# 2、服务端绑定（ip + port）注册网络
sk.bind(("127.0.0.1", 6688))

# 3、服务端将套接字对象设置为监听状态,并设置最大连接数
sk.listen(5)

# 4、通过三次握手建立连接
# 等待客户端请求连接，一旦建立了连接，'accpet'方法会返回一个新的套接字对象，和客户端的IP地址和端口号
conn, client_addr = sk.accept()

# 5、进行数据收发
# recv里面的参数表示一次最多接受多少字节的数据
msg = conn.recv(1024)
print(msg.decode("utf-8"))

# 6、四次挥手关闭连接
conn.close()

# 7、退还端口，关闭套接字
sk.close()

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二者的区别：

• 1、TCP 是面向连接的传输控制协议，而UDP 提供了无连接的数据报服务；
• 2、TCP 具有高可靠性，确保传输数据的正确性，不出现丢失或乱序；
• 3、UDP 在传输数据前不建立连接，不对数据报进行检查与修改，无须等待对方的应答，所以会出现分组丢失、重复、乱序，应用程序需要负责传输可靠性方面的所有工作；
• 4、UDP 具有较好的实时性，工作效率较 TCP 协议高；
• 5、UDP 段结构比 TCP 的段结构简单，因此网络开销也小；
• 6、TCP 协议可以保证接收端毫无差错地接收到发送端发出的字节流，为应用程序提供可靠的通信服务；
• 7、对可靠性要求高的通信系统往往使用 TCP 传输数据。比如 HTTP 运用 TCP 进行数据的传输。