UDP、TCP、HTTP、WebSocket

UDP（用户数据报协议）

• 基本概念

  • UDP 是一种简单的传输层协议。它是无连接的，这意味着在数据传输之前，不需要像 TCP 那样建立连接。UDP 在发送数据时，只是简单地将数据封装成 UDP 数据包（也称为用户数据报），然后通过网络发送给目标主机。
  • 例如，在一个实时视频流应用中，为了尽快将视频数据发送给接收端，减少延迟，可能会选择 UDP。因为对于视频流来说，偶尔丢失一些数据帧可能不会对观看体验产生严重影响，而快速传输数据是更重要的。

• 数据包结构

  • UDP 数据包由头部和数据部分组成。头部只有 8 个字节，其中包括源端口号（2 字节）、目的端口号（2 字节）、UDP 长度（2 字节）和 UDP 校验和（2 字节）。由于头部比较短小，所以 UDP 的开销相对较小。

• 特点

  • 传输速度快：没有连接建立和拆除的过程，数据可以快速发送。
  • 开销小：头部简短，协议简单，因此在传输过程中的额外开销较小。
  • 不可靠性：不保证数据的可靠传输，数据可能会丢失、重复或者乱序。

• 应用场景

  • 实时性要求高的应用：如在线游戏（特别是对操作实时性要求极高的竞技游戏）、视频会议、实时音频传输等。这些应用通常可以容忍一定的数据丢失，但对延迟非常敏感。
  • 简单的查询 - 应答系统：如 DNS（域名系统）查询，UDP 的快速特性使得查询可以快速得到响应，并且 DNS 查询本身有重试机制，所以可以接受 UDP 的不可靠性。

TCP（传输控制协议）

• 基本概念

  • TCP 是一种面向连接的、可靠的传输层协议。在数据传输之前，需要通过三次握手建立连接，在数据传输完成后，需要通过四次挥手来关闭连接。它为应用层提供了可靠的字节流服务，确保数据能够准确无误地从发送端传输到接收端。
  • 例如，在一个文件传输应用中，我们希望文件的每一个字节都能正确地传输到目的地，这时 TCP 就是一个很好的选择。它会对传输的数据进行编号、确认、重传等操作，以保证数据的完整性。

• 数据包结构

  • TCP 数据包（也称为 TCP 段）的头部比较复杂，最少 20 个字节。包括源端口号（2 字节）、目的端口号（2 字节）、序列号（4 字节）、确认号（4 字节）、头部长度（4 位）、保留位（6 位）、控制位（6 位）、窗口大小（2 字节）、校验和（2 字节）和紧急指针（2 字节）。这些字段用于实现 TCP 的各种功能，如流量控制、拥塞控制等。

• 特点

  • 可靠性高：通过序列号、确认号、重传机制等保证数据的准确传输。
  • 面向连接：有明确的连接建立和关闭过程。
  • 提供流量控制和拥塞控制：通过窗口机制和拥塞避免算法等，避免发送端发送过多的数据导致接收端无法处理或者网络拥塞。

• 应用场景

  • 文件传输：如 FTP（文件传输协议）、HTTP（超文本传输协议）用于传输网页文件等大部分基于文件的传输场景。
  • 电子邮件传输：SMTP（简单邮件传输协议）使用 TCP 来确保邮件内容准确无误地发送。

HTTP（超文本传输协议）

• 基本概念

  • HTTP 是应用层协议，用于在 Web 浏览器和 Web 服务器之间传输超文本（如 HTML 文件）等资源。它是基于 TCP 的，通常运行在 TCP 的 80 端口（对于 HTTP）或 443 端口（对于 HTTPS，即安全的 HTTP）。
  • 例如，当你在浏览器中输入一个网址并回车时，浏览器会通过 HTTP 协议向服务器请求网页内容，服务器收到请求后，通过 HTTP 协议将网页内容返回给浏览器。

• 协议版本

  • 主要有 HTTP/1.0、HTTP/1.1 和 HTTP/2。HTTP/1.0 是早期版本，每个 TCP 连接只能发送一个请求并接收一个响应，效率较低。HTTP/1.1 支持持久连接，一个 TCP 连接可以发送多个请求和接收多个响应，提高了效率。HTTP/2 采用二进制格式传输数据，并且引入了多路复用等新特性，进一步提高了性能。

• 请求 - 响应模式

  • HTTP 请求由请求行、请求头部、空行和请求体（可选）组成。请求行包含请求方法（如 GET、POST 等）、请求的 URL 和 HTTP 协议版本。请求头部包含各种请求信息，如用户代理（浏览器类型）、接受的内容类型等。
  • HTTP 响应由响应行、响应头部、空行和响应体组成。响应行包含 HTTP 协议版本、响应状态码（如 200 表示成功、404 表示未找到等）和响应状态描述。响应头部包含服务器信息、内容类型、内容长度等。响应体则是实际返回的内容，如网页的 HTML 文件。

• 应用场景

  • 网页浏览：这是 HTTP 最主要的应用场景，用于获取网页内容、图片、脚本文件等各种资源。
  • Web 服务接口：用于实现前后端分离的 Web 应用中，前端通过 HTTP 请求后端提供的 API 接口来获取数据或执行操作。

WebSocket

• 基本概念

  • WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行全双工通信的协议。它提供了一种浏览器与服务器之间的持久连接，使得服务器可以主动向浏览器推送数据，而不像 HTTP 那样只能由浏览器发起请求。
  • 例如，在一个股票交易网站中，为了实时更新股票价格，服务器可以通过 WebSocket 连接主动将最新的价格信息推送给浏览器，而不需要浏览器不断地发起 HTTP 请求来获取最新价格。

• 协议升级过程

  • WebSocket 的连接是从 HTTP 协议升级而来的。首先，浏览器通过发送一个带有特殊头部的 HTTP 请求，请求将协议升级为 WebSocket。服务器收到请求后，如果同意升级，会返回一个相应的响应，完成协议升级。之后，双方就可以通过 WebSocket 协议进行通信。

• 消息格式

  • WebSocket 消息可以是文本消息或者二进制消息。消息的格式比较灵活，它不像 HTTP 那样有严格的请求 - 响应格式。在实际应用中，可以根据具体的需求定义消息的内容和格式。

• 应用场景

  • 实时通信应用：如在线聊天应用、实时数据监控（如工业控制中的实时数据采集和反馈）、多人协作工具等，这些应用需要服务器和客户端之间进行实时的双向通信。