【网络】TCP vs UDP详解( 含python代码实现)

1. 基本概念

TCP（Transmission Control Protocol）

• TCP 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。
• 它确保数据按顺序、无差错地从源端传输到目的端。
• TCP 提供了流量控制、拥塞控制和错误恢复机制。

UDP（User Datagram Protocol）

• UDP 是一种无连接的、不可靠的、基于数据报的传输层协议。
• 它不保证数据的可靠性、顺序性或完整性。
• UDP 简单高效，适合对实时性要求高的应用。

2. 主要特性对比

TCP	UDP

连接方式 面向连接（需要三次握手建立连接） 无连接（直接发送数据）
可靠性 可靠传输（确保数据不丢失、不重复、有序） 不可靠传输（可能丢失、重复、乱序）
数据顺序 保证数据顺序 不保证数据顺序
流量控制 支持（通过滑动窗口机制） 不支持
拥塞控制 支持（通过慢启动、拥塞避免等算法） 不支持
错误检测与恢复 支持（通过校验和、重传机制） 仅支持错误检测（通过校验和）
数据格式 基于字节流 基于数据报（每个数据包独立）
头部开销 较大（至少 20 字节） 较小（仅 8 字节）
传输效率 较低（由于连接管理和可靠性机制） 较高（无连接管理和可靠性机制）
适用场景 对可靠性要求高的应用 对实时性要求高的应用

3. 工作原理

TCP 的工作原理

• 建立连接（三次握手）：
  客户端发送 SYN 报文给服务器。
  服务器回复 SYN-ACK 报文。
  客户端发送 ACK 报文，连接建立。

• 数据传输：
  数据被分割成 TCP 段，每个段都有序列号和确认号。
  接收方确认收到的数据，发送方根据确认信息决定是否重传。

• 流量控制：
  通过滑动窗口机制动态调整发送速率。

• 拥塞控制：
  使用慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复算法。

• 断开连接（四次挥手）：
  客户端发送 FIN 报文。
  服务器回复 ACK 报文。
  服务器发送 FIN 报文。
  客户端回复 ACK 报文，连接关闭。

UDP 的工作原理

• 无连接通信：
  发送方直接将数据报发送到接收方，无需建立连接。

• 数据传输：
  每个数据报独立传输，不保证顺序和可靠性。
  无流量控制和拥塞控制：
  发送方以固定速率发送数据，不考虑网络状况。

4. 优缺点对比

• TCP 的优点
  可靠性高，适合传输重要数据。
  支持流量控制和拥塞控制，避免网络拥塞。
  保证数据顺序，适合文件传输、网页浏览等场景。

• TCP 的缺点
  头部开销大，传输效率较低。
  连接管理复杂，延迟较高。
  不适合实时性要求高的应用。

• UDP 的优点
  头部开销小，传输效率高。
  无连接管理，延迟低。
  适合实时性要求高的应用，如视频流、在线游戏。

• UDP 的缺点
  不可靠传输，数据可能丢失、重复或乱序。
  无流量控制和拥塞控制，可能导致网络拥塞。

5. 适用场景

• TCP 的适用场景
  文件传输（如 FTP、HTTP）
  电子邮件（如 SMTP、POP3）
  网页浏览（如 HTTPS）
  数据库访问
  远程登录（如 SSH）

• UDP 的适用场景
  实时视频流（如视频会议、直播）
  在线游戏
  语音通信（如 VoIP）
  DNS 查询
  广播和多播应用

6. 代码示例

TCP 服务器

import socket

server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# socket.AF_INET：指定地址族为 IPv4。
# socket.SOCK_STREAM：指定套接字类型为 TCP（流式套接字）。
# 这行代码创建了一个 TCP 套接字对象 server。
server.bind(('0.0.0.0', 8888))
# bind() 方法将套接字绑定到指定的 IP 地址和端口。
# '0.0.0.0'：表示绑定到所有可用的网络接口（即服务器上的所有 IP 地址）。
# 8888：指定监听的端口号。
# 绑定后，服务器可以通过该 IP 和端口接收客户端的连接请求
server.listen(5)
# listen() 方法将套接字设置为监听状态，等待客户端的连接请求。参数 5 表示最大挂起连接数（即允许同时等待处理的连接数）。

print("TCP 服务器已启动...")
while True:
    client, addr = server.accept()
    print(f"来自 {addr} 的连接")
    client.send(b"Hello, TCP Client!")
    #send() 方法向客户端发送数据。b"Hello, TCP Client!"：发送的字节数据（b 前缀表示字节字符串）。
    data = client.recv(1024)
    # recv() 方法从客户端接收数据。参数 1024 表示每次最多接收 1024 字节的数据。

接收到的数据存储在变量 data 中。
    print(f"收到数据: {data.decode()}")
    client.close()

TCP 客户端

import socket

client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client.connect(('127.0.0.1', 8888))
data = client.recv(1024)
print(f"收到数据: {data.decode()}")
client.send(b"Hello, TCP Server!")
client.close()

UDP 服务器

import socket

server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
server.bind(('0.0.0.0', 8888))

print("UDP 服务器已启动...")
while True:
    data, addr = server.recvfrom(1024)
    print(f"来自 {addr} 的数据: {data.decode()}")
    server.sendto(b"Hello, UDP Client!", addr)

UDP 客户端

import socket

client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
client.sendto(b"Hello, UDP Server!", ('127.0.0.1', 8888))
data, addr = client.recvfrom(1024)
print(f"收到数据: {data.decode()}")
client.close()

7. 总结

TCP 适合对可靠性要求高的场景，如文件传输、网页浏览。

UDP 适合对实时性要求高的场景，如视频流、在线游戏。

选择 TCP 还是 UDP 取决于应用的具体需求。