在写了这么多关于TCP和UDP的文章之后，我们还没有很好地讨论这两种协议之间的差异，所以本文将把它公之于众。

对于TCP和UDP，你们都见过这样的图。

有一个小女孩从瓶口慢慢地喝水，下面写着可靠的传输，女孩的衣服没有被弄湿，这张照片叫TCP。

然后有一个小女孩拿着一个水瓶，以非常快的速度往下倒水。女孩的头发乱糟糟的，满脸通红，衣服都被水浸透了。这张图片被称为UDP。

这两张图我想一个程序员大概可以概括出两种传输协议的区别(毕竟图上写得很清楚)，甚至很多同学对UDP都有恶念，你说作者画个图不行，不是要挂个红脸，湿衣服……

好吧，让我们进入正题，TCP和UDP之间的区别一直是采访的焦点，它们是经常用于各种比较的两个协议。

建立TCP连接需要三次握手，断开TCP连接需要四次握手。这表明TCP是一个面向连接的协议。这种连接不是使用网线或管道将通信双方连接在一起，而是使用虚拟的通信管道。

TCP的三次握手过程(客户端向服务器端发送请求建立连接):

服务器进程准备通过调用bind、listen和socket来接收来自外部的TCP连接。这种开放方式被称为被动开放。然后，服务器进程处于LISTEN状态，等待客户端连接。客户端通过connect向服务器发起一个活动的打开请求。SYN=1是请求中的报头同步位，并选择一个初始序列号(简称seq=x)。SYN报文段不能承载数据，只消耗一个序列号。客户端进入SYN-SEND状态。服务器收到客户端的连接后，需要确认客户端的报文段。在确认报文段中，SYN和ACK都为1。确认号为ack=x + 1，初始序列号seq=y也是为自己选择的。注意，这个段也不能携带数据，但也消耗一个序列号。此时，TCP服务器进入SYN-RECEIVED状态。客户端收到服务器的响应后，需要确认连接。设置ACK=1, seq=x + 1, ACK=y + 1。根据TCP协议，该报文段可以承载数据，也可以不承载数据。如果不携带数据，则下一数据段的序号仍为seq=x + 1。此时，客户端进入ESTABLISHED状态。服务器收到客户端的确认后，也进入ESTABLISHED状态。另一方面，UDP是面向数据报的协议，所以UDP根本没有连接的概念，所以没有三次握手来建立连接。

数据传输完成后，通信双方可以解除连接。数据传输完成后，客户端主机和服务器主机都处于ESTABLISHED状态，然后开始释放连接的过程。

(客户端主动关闭连接)

TCP连接断开的过程如下

客户端应用程序发送释放连接的报文段，停止发送数据，主动关闭TCP连接。客户端主机发送报文段，释放连接。报文段头FIN位置为1，不包含任何数据，序号为seq=u，此时客户端主机进入FIN- WAIT -1(终止等待1)阶段。服务器主机收到客户端发送的报文段后，发送确认应答消息，确认应答消息中ACK=1，生成自己的序列号seq=v, ACK=u + 1，进入CLOSE-WAIT状态。此时，客户端主机和服务器主机之间的连接被释放。客户端主机没有数据要发送。此时，服务器主机处于半连接状态，但服务器主机仍然可以发送数据。客户端收到服务器的确认后，进入FIN-WAIT-2状态。等待客户端发送连接释放报文段。当没有数据从服务器主机发送时，应用程序进程通知TCP释放连接。在这种情况下，服务器主机将发送一个带有ACK=1和序列号seq=w的断开消息段，seq可能不等于v + 1，因为在这两者之间可能已经发送了一些数据。Ack=u + 1。服务器主机发送断连请求报文后进入LAST-ACK阶段。客户端收到服务器的断开请求后，需要发送一个断开消息段作为响应。在消息段中，ACK=1，序列号seq=u + 1，由于客户端从连接断开后没有发送任何数据，ACK=w + 1，则进入时间等待状态。请注意，此时TCP连接还没有被释放。只有设置了等待时间(2MSL)后，客户端才会进入CLOSED状态。MSL时间称为最大段生存时间。服务器从客户端收到断开连接的确认后进入CLOSED状态。由于服务器端比客户端更早终止TCP连接，而整个断开连接的过程需要4个报文段，所以释放连接的过程也称为4波。UDP没有这个连接，所以它不需要四个波。

综上所述，TCP是面向连接的。数据传输前需要保持一个虚拟连接，数据传输需要在这个虚拟连接上进行，数据传输完成后需要断开这个连接。但是UDP传输不是面向连接的，因为UDP发送数据时不建立连接，也不关心接收端的状态。

TCP和UDP的主要区别在于可靠性。TCP是可靠的传输层协议，而UDP是不可靠的传输层协议。TCP的这种可靠性主要通过以下几个特点来保证：

可靠性通过序列号和应答号来实现

在计算机网络中，应答称为ACK。TCP通过ACK协议实现数据的可靠传输。也就是说，发送请求后，发送方将等待目标主机的响应。因此，即使在传输过程中出现丢包，TCP仍然可以通过重传实现可靠性。

上述情况属于发送方请求丢失，另一种情况属于响应丢失。也就是说，请求发送到目标主机后，目标主机将向请求者返回一个ACK，这个ACK也可能丢失。如果链路中丢失了ACK，请求者在一段时间后没有收到目标主机的ACK。它仍然选择重传没有收到ACK的请求。

除了消息丢失之外，还有延迟到达的现象。延迟到达是指发送方发送一个报文段后，由于网络抖动、拥塞等原因，报文段没有到达目的主机，或者目的主机的响应ACK没有到达发送方的现象。一旦超过重传时间，发送方将重传该报文段。第一个包段可以在重传的包段到达后不久到达。这会导致一个问题：目标主机接收到两个相同的数据包段。您必须选择要丢弃的段，但是应该选择哪个段呢？

这可以通过序列号(seq)来实现，这是一个按顺序为发送的数据的每个字节分配一个数字的数字。接收端查询TCP头中的序列号和数据长度，并返回下一个应该接收到的序列号作为确认应答。TCP通过序列号和确认应答号来识别是否已经接收到数据，确定是否需要接收数据，从而实现可靠传输。

如上图所示，如果请求是按顺序发送的，则为seq=1。此请求将从第一个字节到第n个字节的数据一起发送，等待目标主机对每个字节进行确认，然后发送请求seq=n + 1，确认后再发送请求seq=m + 1。这确保了序列号不会重复。

UDP没有序列号或确认号，所以数据不会被确认，如果数据丢失也不会重传，所以UDP是一个不可靠的协议。

如果你用TCP和UDP来比较开发人员：TCP是那种必须把一切都设计好，没有设计就不会开发的工程师，需要在开始之前把一切都考虑进去!所以这是很合理的；而UDP是那种直接干干的，接到项目需要马上开工，不管设计，不管技术选择，都是干干的，这种开发人员是很不可靠的，但是适合快速迭代开发，因为可以马上开工!

如上所述，TCP将单独发送请求，每个请求所携带的数据将由目标主机确认。在每个请求依次被目标主机确认后，请求中的数据将被重新组织。由于请求是通过seq发出的，所以TCP在重新组织数据时也会按顺序重新组织数据。UDP没有这样的有序性保证。

TCP和UDP都属于传输层。传输层传输的数据称为分组段。TCP和UDP报文段的区别如下：

UDP报文段结构

源端口：该字段占据UDP报头的前16位，通常包含发送数据报的应用程序使用的UDP端口。接收应用程序使用该字段的值作为发送响应的目的地址。该字段是可选的，有时不设置源端口号。无源端口号默认为0，这通常用于不需要返回消息的通信。“目的端口”:接收端口号。16位字段。长度：16位，表示UDP数据报长度，包括UDP报文头和UDP数据长度。由于UDP报头长度为8字节，因此最小长度为8，最大长度为2 ^ 16=65,535字节。校验和：UDP使用校验和来保证数据的安全性。UDP校验和还提供错误检测功能。错误检测功能用于验证报文从源主机发送到目的主机时，报文段是否发生数据完整性改变。TCP包段结构

TCP报文段结构比UDP报文段结构包含更多的内容。但是前两个32位字段是相同的。这些是源端口号和目标端口号。此外，与UDP一样，TCP也包含校验和字段。此外，TCP报文段头还包含以下内容

32位序列号字段和32位确认号字段。TCP发送方和接收方使用这些字段来实现可靠的数据传输。header length字段，表示TCP头的长度，为32位。TCP报头的长度是可变的，但通常情况下，option字段为空，因此TCP报头字段的长度为20字节。16位接收窗口字段，用于流量控制。它用于指示接收方可以/愿意接受的可变字节数。当发送方和接收方协商最大报文长度时使用该字段，即使用MSS时使用6位标志字段。ACK标志用于表示确认字段中的值是有效的。此包段包含对成功接收的包段的确认。RST、SYN和FIN标志位用于建立和关闭连接。CWR和ECE用于拥塞控制；PSH标志用于指示数据立即移交给上层进行处理。URG标志表示数据中存在需要上层处理的紧急数据。紧急数据的最后一个字节由16位紧急数据指针字段表示。一般不使用PSH和URG。因此，通过比较报文段结构可以看出，TCP比UDP具有更多的flag、序列号和确认号，这些都属于TCP的连接控制。然后是接收窗口，它是拥塞控制和流量控制。TCP报头的开销比UDP高，因为TCP报头固定为20字节，UDP报头固定为8字节。TCP和UDP都提供数据校验功能。

建立连接的差异

TCP报文段以“问答”形式发送。在发送下一个数据包之前，每个请求都要经过目标主机的确认，速度很慢。为了解决这个问题，TCP引入了窗口的概念。它还可以控制网络性能的下降。

我们过去以包段的形式发送每个请求。引入窗口后，每个请求可以发送多个报文段，即一个窗口可以发送多个报文段。窗口大小是在不等待确认的情况下可以发送的数据包的最大数量。

在这个窗口机制中，缓冲区被大量使用，能够同时确认对多个段的响应。

如下图所示，发送消息段的高亮部分是我们提到的窗口。在该窗口中，即使没有收到确认，也可以发送请求。但是，如果在整个窗口的确认到达之前丢失了部分包段，发送方仍将重新传输。要做到这一点，发送方需要建立一个缓存来保存这些需要重传的段，直到它们收到确认。

滑动窗口外的部分是尚未发送的段和已接收的段。如果已被确认，则不能重发。在这种情况下，可以从缓冲区中清除段。

如果收到确认，窗口将滑动到确认响应中的确认号位置，如上图所示。这样可以同时按顺序发送多个报文段，提高通信性能。

UDP发送的报文段不需要确认，所以没有Windows的概念。因此，UDP的传输效率很高。

TCP和UDP在效率、报文段、流量控制、连接管理等方面存在差异。这些差异导致了不同的应用场景。TCP需要对每个报文进行确认，因此不适合数据传输场景。这些类型的操作(如Ping和DNS Lookup)需要一个简单的请求/返回，而不需要建立连接。UDP就足够了。例如，HTTP协议需要考虑请求和响应的可靠性，在这种情况下应该使用TCP协议。但是像HTTP 3.0这样的应用层协议，从功能的角度来看，目前还没有找到很多的优化点，但是为了将网络优化到极致，将使用UDP作为底层技术。然后在UDP之上处理可靠性。