TCP和UDP是什么、彼此关系、各自机制细节、典型场景

南北是北北
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它们是什么（在哪一层）

  • TCP（Transmission Control Protocol） ：传输层的面向连接、可靠、按序的字节流协议。适合“必须一字不差”的场景（网页、文件、数据库…）。

  • UDP（User Datagram Protocol） ：传输层的无连接、尽力而为的数据报协议。适合“低时延、轻量、不必严格可靠”的场景（实时音视频、游戏状态、DNS…）。

二者都位于传输层（OSI 第4层），都用端口号在同一台主机上复用/区分不同的应用进程，下面都跑在 IP 之上（常见 IPv4/IPv6）。

它们的关系

  • 同层兄弟：都把“端到端”的数据送给对方应用，但服务模型不同：TCP=可靠字节流；UDP=不保证可靠的消息（数据报）。
  • 都靠 IP 转发：真正的路由、分片/组装发生在网络层（IP）。
  • 都用端口号：套接字五元组(源/目的IP、源/目的端口、协议) 唯一标识连接（TCP）或会话（UDP）。
  • 都带校验和：UDP 的校验和 IPv6 必须，IPv4 可为 0（表示不用）；TCP 必须。

TCP 细节（如何做到“可靠按序”）

  1. 连接 & 关闭

    • 三次握手：SYN → SYN+ACK → ACK 建立连接，协商初始序号等。
    • 四次挥手：双方各自 FIN/ACK 关闭；异常断开用 RST。

  2. 序号 & 确认 & 重传

    • 每个字节都有序号；对端返回 ACK 告知已收到的最大连续序号。
    • 重传：超时重传（RTO 基于 RTT 估计）、快速重传（三次重复 ACK 触发）。

  3. 流量控制（Flow Control）

    • 滑动窗口 + 接收窗口 rwnd：避免把对端缓存冲爆；对端告知还能收多少。

  4. 拥塞控制（Congestion Control）

    • 慢启动、拥塞避免、快速重传/恢复；拥塞窗口 cwnd 决定“在网里飞行的数据”上限。
    • 现代实现（CUBIC/BBR…）各有策略以平衡吞吐与时延。

  5. 有序交付 & 乱序重排

    • 内核将乱序片段缓存、按序交付应用（Head-of-Line 阻塞：前面少一块，后面的都等）。

  6. 其他机制

    • MSS/MTU 协商与分片避免；Nagle（合小包）与延迟 ACK优化；KeepAlive 探活等。

结果：可靠、按序、拥塞友好，但：握手有开销、丢包会触发重传导致时延跃增、HoL 阻塞可能放大时延抖动。

UDP 细节（为什么“轻”）

  1. 无连接、无握手：直接发包，最小报头 8 字节（源/目的端口、长度、校验和）。

  2. 不保证：到达、不重复、按序 —— 这些都交给应用层按需实现（或干脆不要）。

  3. 消息边界：应用写入一次就是一个数据报，接收端一次 recvfrom() 读取一个完整报文（超出接收缓冲会被丢弃）。

  4. 路径 MTU：单个 UDP 报文不宜超过 PMTU（常见以 1200～1400B 为经验值），否则可能被 IP 分片，丢一个分片就丢整报文。

  5. 常见增强（在应用/库里实现）：

    • RTP/RTCP（实时音视频时钟、序号、抖动估计、统计反馈）；

    • FEC/ARQ 前向纠错或选择性重传；

    • DTLS/QUIC：在 UDP 上实现的安全/可靠（QUIC 自带拥塞控制与按流复用，解决 TCP HoL）。

结果：时延小、开销小；可靠性、拥塞友好与安全要靠上层协议/应用补齐；穿透 NAT 相对容易（打洞）。

典型使用场景

  • TCP：HTTP(S)、WebSocket（基于 TCP 的持久连接）、SSH、FTP、数据库连接、邮件协议等。
  • UDP：DNS、DHCP、SNMP、实时语音视频（RTP/RTCP、WebRTC 底层）、在线游戏状态同步、流媒体直播（部分协议）、QUIC(HTTP/3)。

选择建议（怎么选）

  • “不能丢、必须按序、吞吐优先” → TCP（或 QUIC：想要低时延 + 可靠可以考虑 QUIC/HTTP3）。
  • “低时延、偶尔丢也行、自己能容错/补偿**” → UDP（配 RTP/ARQ/FEC/拥塞控制/加密）。
  • “防火墙/NAT 友好”：TCP 443 几乎必通；UDP 有时被限，但 QUIC(UDP/443) 越来越通行。

安全与攻击面

  • TCP：配 TLS（HTTPS、TLS over TCP）；易遭 SYN flood（需 SYN cookies 等防护）。
  • UDP：无握手、易被放大型 DDoS（利用可伪造源地址的反射协议）；安全常用 DTLS/QUIC。

报头与开销

  • TCP 头：最小 20 字节（+ 可选项如 SACK、时间戳等）；
  • UDP 头：固定 8 字节；
  • IP 头：IPv4 20B、IPv6 40B（未含扩展）；实际链路还有以太网等二层开销。

对比速查表

维度TCPUDP
连接三次握手/四次挥手无连接
可靠性有：序号/ACK/重传无（需上层自建）
有序性有（乱序重排）无（应用自行处理）
流量/拥塞控制有（rwnd/cwnd/算法）无（应用/协议自建或放任）
时延较高（握手、重传、HoL）低（无握手、无重排）
报头开销≥20B（+可选）8B
适配 NAT/防火墙TCP/443 最通行UDP/443 趋好（QUIC），但部分网络受限
典型场景Web、文件、DB、邮件DNS、音视频、游戏、QUIC/HTTP3

小误区澄清

  • “UDP 不可靠＝一定丢” ❌：只是“不保证”，真实网络质量 + 上层容错决定体验。
  • “TCP 一定更快” ❌：在低时延、允许少量丢的实时场景，UDP 往往更好；而在大文件传输、必须可靠时 TCP/QUIC 更优。
  • “UDP 没拥塞控制就更猛” ❌：没有控制会压垮网络且自身丢包更多；现代 UDP 协议（QUIC/WebRTC）都有拥塞控制。
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