L2 UDP和TCP

2. UDP：把数据包送达应用程序

IP是非常底层的协议，只负责把数据包传送到对方电脑，但是对方电脑并不知道把数据包交给哪个程序，是交给浏览器还是交给王者荣耀？因此，需要基于IP之上开发能和应用打交道的协议，最常见的是“用户数据包协议（User Datagram Protocol）”，简称UDP。

UDP中一个最重要的信息是端口号，端口号其实就是一个数字，每个想访问网络的程序都需要绑定一个端口号。通过端口号UDP就能把指定的数据包发送给指定的程序了，所以IP通过IP地址信息把数据包发送给指定的电脑，而UDP通过端口号把数据包分发给正确的程序。和IP头一样，端口号会被装进UDP头里面，UDP头再和原始数据包合并组成新的UDP数据包。UDP头中除了目的端口，还有源端口号等信息

为了支持UDP协议，我把前面的三层结构扩充为四层结构，在网络层和上层之间增加了传输层，如下图所示：

下面我们一起来看下一个数据包从主机A旅行到主机B的路线：

• 上层将含有“极客时间”的数据包交给传输层；
• 传输层会在数据包前面附加上UDP头，组成新的UDP数据包，再将新的UDP数据包交给网络层；
• 网络层再将IP头附加到数据包上，组成新的IP数据包，并交给底层；
• 数据包被传输到主机B的网络层，在这里主机B拆开IP头信息，并将拆开来的数据部分交给传输层；
• 在传输层，数据包中的UDP头会被拆开，并根据UDP中所提供的端口号，把数据部分交给上层的应用程序；
• 最终，含有“极客时间”信息的数据包就旅行到了主机B上层应用程序这里

在使用UDP发送数据时，有各种因素会导致数据包出错，虽然UDP可以校验数据是否正确，但是对于错误的数据包，UDP并不提供重发机制，只是丢弃当前的包，而且UDP在发送之后也无法知道是否能达到目的地。

虽说UDP不能保证数据可靠性，但是传输速度却非常快，所以UDP会应用在一些关注速度、但不那么严格要求数据完整性的领域，如在线视频、互动游戏等

3. TCP：把数据完整地送达应用程序

对于浏览器请求，或者邮件这类要求数据传输可靠性（reliability）的应用，如果使用UDP来传输会存在两个问题：

• 数据包在传输过程中容易丢失；
• 大文件会被拆分成很多小的数据包来传输，这些小的数据包会经过不同的路由，并在不同的时间到达接收端，而UDP协议并不知道如何组装这些数据包，从而把这些数据包还原成完整的文件

基于这两个问题，我们引入TCP了。TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。相对于UDP，TCP有下面两个特点:

• 对于数据包丢失的情况，TCP提供重传机制；
• TCP引入了数据包排序机制，用来保证把乱序的数据包组合成一个完整的文件。

和UDP头一样，TCP头除了包含了目标端口和本机端口号外，还提供了用于排序的序列号，以便接收端通过序号来重排数据包。

下面看看TCP下的单个数据包的传输流程

通过上图你应该可以了解一个数据包是如何通过TCP来传输的。TCP单个数据包的传输流程和UDP流程差不多，不同的地方在于，通过TCP头的信息保证了一块大的数据传输的完整性。

下面我们再看下完整的TCP连接过程，通过这个过程你可以明白TCP是如何保证重传机制和数据包的排序功能的。

从下图可以看出，一个完整的TCP连接的生命周期包括了“建立连接”“传输数据”和“断开连接”三个阶段。

• 首先，建立连接阶段。这个阶段是通过“三次握手”来建立客户端和服务器之间的连接。TCP 提供面向连接的通信传输。面向连接是指在数据通信开始之前先做好两端之间的准备工作。所谓三次握手，是指在建立一个TCP连接时，客户端和服务器总共要发送三个数据包以确认连接的建立。
• 其次，传输数据阶段。在该阶段，接收端需要对每个数据包进行确认操作，也就是接收端在接收到数据包之后，需要发送确认数据包给发送端。所以当发送端发送了一个数据包之后，在规定时间内没有接收到接收端反馈的确认消息，则判断为数据包丢失，并触发发送端的重发机制。同样，一个大的文件在传输过程中会被拆分成很多小的数据包，这些数据包到达接收端后，接收端会按照TCP头中的序号为其排序，从而保证组成完整的数据。
• 最后，断开连接阶段。数据传输完毕之后，就要终止连接了，涉及到最后一个阶段“四次挥手”来保证双方都能断开连接

到这里你应该就明白了，TCP为了保证数据传输的可靠性，牺牲了数据包的传输速度，因为“三次握手”和“数据包校验机制”等把传输过程中的数据包的数量提高了一倍。