愚公上岸说

11-20 23:44 四川大学前端工程师发布于四川

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【前端面试小册】网络-第7节：TCP 与 UDP

一、概述

TCP 和 UDP 都是传输层协议，它们负责在网络中传输数据。虽然都属于传输层，但它们的特点和适用场景完全不同。

类比理解：

TCP：就像打电话，需要先接通（三次握手），通话质量有保障，说完再挂断（四次挥手）
UDP：就像寄明信片，写完直接投递，不管对方有没有收到

二、TCP 协议

2.1 TCP 是什么

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。

核心特点：

面向连接
可靠传输
有序传输
流量控制
拥塞控制

2.2 TCP 的特性

面向连接

含义：使用 TCP 前必须先建立 TCP 连接（三次握手），在传送数据完毕后还要释放已经建立的 TCP 连接（四次挥手）。

流程：

graph LR
    A[建立连接] --> B[传输数据]
    B --> C[释放连接]

可靠传输

保证机制：

确认应答：接收方收到数据后发送确认
超时重传：发送方没收到确认会重传
数据校验：检验和校验数据完整性
序列号：保证数据有序
流量控制：防止发送过快
拥塞控制：防止网络拥塞

有序传输

TCP 通过序列号保证数据按顺序到达和组装。

示例：

发送：数据1 → 数据2 → 数据3
接收：数据1 → 数据2 → 数据3（顺序一致）

流量控制

使用滑动窗口机制，控制发送速率，防止接收方来不及处理。

原理：

接收方通过窗口大小告诉发送方自己的接收能力
发送方根据窗口大小调整发送速率

拥塞控制

防止过多的数据注入到网络中，避免网络过载。

算法：

慢启动：指数增长
拥塞避免：线性增长
快重传：提前重传
快恢复：快速恢复

2.3 TCP 报文结构

0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          Source Port          |       Destination Port        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Sequence Number                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Acknowledgment Number                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
| Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
|       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Checksum            |         Urgent Pointer        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

关键字段：

源端口/目的端口：标识通信端点
序列号：保证数据有序
确认号：确认收到的数据
标志位：SYN、ACK、FIN 等
窗口大小：流量控制

三、UDP 协议

3.1 UDP 是什么

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。

核心特点：

无连接
不可靠
高效快速
支持广播

3.2 UDP 的特性

无连接

含义：不需要建立连接就可以直接发送数据。

优点：

减少延迟
减少开销
更快的传输速度

不可靠

表现：

不保证数据一定到达
不保证数据顺序
不保证数据完整性（只有简单校验）
没有重传机制

面向报文

UDP 对应用层交下来的报文，不合并，不拆分，只是添加 UDP 首部。

特点：

保留报文边界
适合一次性传输少量数据

支持一对一、一对多、多对多

UDP 支持：

单播：一对一
广播：一对所有
多播：一对多

3.3 UDP 报文结构

0      7 8     15 16    23 24    31
+--------+--------+--------+--------+
|     Source      |   Destination   |
|      Port       |      Port       |
+--------+--------+--------+--------+
|                 |                 |
|     Length      |    Checksum     |
+--------+--------+--------+--------+
|                                   |
|          Data octets ...          |
+-----------------------------------+

字段说明：

源端口：16 位
目的端口：16 位
长度：UDP 数据报长度
校验和：可选的错误检查

特点：UDP 首部只有 8 个字节，非常简单。

四、TCP 与 UDP 对比

4.1 详细对比表格

特性	TCP	UDP
连接性	面向连接	无连接
可靠性	可靠传输	不可靠传输
有序性	保证有序	不保证有序
速度	较慢	较快
资源消耗	较大	较小
首部大小	20-60 字节	8 字节
全双工	是	是
流量控制	有	无
拥塞控制	有	无
应用场景	文件传输、邮件、网页	视频、语音、直播

4.2 优缺点对比

TCP 优缺点

优点：

✅ 可靠传输，保证数据完整性
✅ 有序传输，保证数据顺序
✅ 有流量控制和拥塞控制
✅ 适合大数据传输

缺点：

❌ 建立连接有延迟（三次握手）
❌ 占用系统资源多
❌ 速度相对较慢
❌ 不支持广播和多播

UDP 优缺点

优点：

✅ 速度快，延迟低
✅ 占用资源少
✅ 支持广播和多播
✅ 适合实时应用

缺点：

❌ 不可靠，可能丢包
❌ 不保证顺序
❌ 无流量控制
❌ 无拥塞控制

五、应用场景

5.1 TCP 适用场景

文件传输

// HTTP 文件下载
fetch('https://example.com/file.zip')
    .then(response => response.blob())
    .then(blob => {
        // 下载文件
    });

原因：需要保证文件完整性，不能丢失任何数据。

网页浏览

// HTTP/HTTPS 请求
fetch('https://example.com/api/data')
    .then(response => response.json())
    .then(data => console.log(data));

原因：需要保证数据完整和有序。

邮件发送

协议：SMTP、POP3、IMAP

原因：邮件内容不能有任何丢失。

远程登录

协议：SSH、Telnet

原因：需要可靠的命令传输。

5.2 UDP 适用场景

视频直播

// WebRTC 视频通话
const peerConnection = new RTCPeerConnection();
// UDP 传输视频流

原因：

实时性要求高
丢失少量数据包不影响观看
可以容忍一定的画质损失

语音通话

协议：VoIP

原因：

实时性要求高
延迟比可靠性更重要
丢失少量数据可以容忍

在线游戏

// 游戏状态同步（伪代码）
socket.send({
    type: 'position',
    x: player.x,
    y: player.y
});

原因：

需要低延迟
旧的位置信息可以丢弃
最新状态更重要

DNS 查询

# DNS 查询使用 UDP
nslookup www.example.com

原因：

查询数据量小
需要快速响应
如果失败可以重试

广播/多播

// IPTV、组播视频

原因：

TCP 不支持广播和多播
UDP 支持一对多传输

六、选择建议

6.1 选择 TCP 的情况

✅ 数据不能丢失（文件、邮件） ✅ 数据顺序重要（网页、数据库） ✅ 需要可靠传输 ✅ 数据量较大

6.2 选择 UDP 的情况

✅ 实时性要求高（视频、语音） ✅ 可以容忍少量丢包 ✅ 数据量小 ✅ 需要广播/多播 ✅ 需要低延迟

6.3 实际案例分析

HTTP/HTTPS 为什么使用 TCP？

原因：

网页内容不能丢失
需要保证数据完整性
顺序很重要（HTML、CSS、JS 要按顺序加载）

直播为什么使用 UDP？

原因：

实时性最重要
丢失几帧画面可以接受
延迟比完整性更重要
不需要重传旧数据

七、混合使用

7.1 QUIC 协议

QUIC（Quick UDP Internet Connections）是 Google 开发的基于 UDP 的传输层协议，结合了 TCP 和 UDP 的优点。

特点：

基于 UDP
实现了 TCP 的可靠传输
更快的连接建立（0-RTT）
更好的拥塞控制

应用：HTTP/3 使用 QUIC 协议

7.2 应用层可靠性

在 UDP 之上实现应用层的可靠性机制：

// 自定义可靠 UDP（伪代码）
class ReliableUDP {
    send(data) {
        const packet = {
            seq: this.seq++,
            data: data,
            timestamp: Date.now()
        };
        this.sendPacket(packet);
        this.waitForAck(packet);
    }
    
    waitForAck(packet) {
        setTimeout(() => {
            if (!this.acked[packet.seq]) {
                this.send(packet.data); // 重传
            }
        }, 1000);
    }
}