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TCP、UDP、WebSocket 和 HTTP 教程

article 2025/3/7 1:53:37

一、TCP（传输控制协议）

1. 原理

TCP 处于传输层，负责为应用层提供可靠的、面向连接的字节流服务。在数据传输前，它会通过"三次握手"建立连接，确保通信双方都具备收发数据的能力；传输过程中，采用确认机制、重传机制和滑动窗口机制保证数据的可靠和有序；传输结束后，使用"四次挥手"断开连接。

三次握手建立连接

第一次握手：客户端向服务器发送一个 SYN 包，其中 seq = x（x 为客户端随机生成的初始序列号），表明客户端希望与服务器建立连接。
第二次握手：服务器收到 SYN 包后，向客户端发送 SYN + ACK 包。SYN 表示同意建立连接，seq = y（y 为服务器随机生成的初始序列号）；ACK 是对客户端 SYN 包的确认，ack = x + 1。
第三次握手：客户端收到 SYN + ACK 包后，向服务器发送 ACK 包，seq = x + 1，ack = y + 1，此时连接建立成功。

四次挥手断开连接

第一次挥手：客户端向服务器发送 FIN 包，seq = u，表示客户端没有数据要发送了，请求关闭连接。
第二次挥手：服务器收到 FIN 包后，向客户端发送 ACK 包，seq = v，ack = u + 1，表示同意关闭客户端到服务器的连接。
第三次挥手：服务器向客户端发送 FIN 包，seq = v，表示服务器也没有数据要发送了，请求关闭服务器到客户端的连接。
第四次挥手：客户端收到 FIN 包后，向服务器发送 ACK 包，seq = u + 1，ack = v + 1，连接关闭。

2. 时序图

3. 代码示例（Python）

import socket

# 创建 TCP 套接字
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 绑定地址和端口
server_socket.bind(('localhost', 8888))
# 监听连接
server_socket.listen(1)

print('Waiting for a connection...')
# 接受客户端连接
conn, addr = server_socket.accept()
print(f'Connected by {addr}')

while True:
    # 接收客户端数据
    data = conn.recv(1024)
    if not data:
        break
    # 发送响应数据
    conn.sendall(data)

# 关闭连接
conn.close()

二、UDP（用户数据报协议）

1. 原理

UDP 是一种无连接的传输层协议，不保证数据的可靠传输和顺序性。发送方直接将数据封装成 UDP 数据报发送，接收方接收数据报，无需事先建立连接和后续断开连接的操作。每个 UDP 数据报包含源端口、目的端口、长度和校验和等信息。

2. 时序图

3. 代码示例（Python）

import socket

# 创建 UDP 套接字
server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
# 绑定地址和端口
server_socket.bind(('localhost', 8888))

print('Waiting for data...')
while True:
    # 接收数据
    data, addr = server_socket.recvfrom(1024)
    print(f'Received from {addr}: {data.decode()}')
    # 发送响应数据
    server_socket.sendto(data, addr)

三、WebSocket

1. 原理

WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行全双工通信的协议，工作在应用层。它基于 TCP 协议，通过 HTTP 协议进行握手升级。客户端发送 HTTP 请求，请求头包含 Upgrade: websocket 字段，服务器若支持则返回状态码为 101 的 HTTP 响应，表示同意升级。之后双方可通过 WebSocket 进行实时双向通信。

2. 时序图

3. 代码示例（Python + Flask-SocketIO）

from flask import Flask
from flask_socketio import SocketIO

app = Flask(__name__)
socketio = SocketIO(app)

@socketio.on('connect')
def handle_connect():
    print('Client connected')

@socketio.on('message')
def handle_message(message):
    print(f'Received message: {message}')
    socketio.send('Server received: ' + message)

if __name__ == '__main__':
    socketio.run(app, debug=True)

四、HTTP（超文本传输协议）

1. 原理

HTTP 是应用层协议，基于 TCP 协议实现。它是无状态的，即服务器不会记录客户端的历史请求信息。采用请求 - 响应模式，客户端向服务器发送请求，服务器根据请求进行处理并返回响应。

请求结构

请求行：包含请求方法（如 GET、POST 等）、请求 URI 和 HTTP 版本。
请求头：包含一系列键值对，如 User - Agent 表示客户端信息，Content - Type 表示请求体的类型等。
请求体：可选部分，用于携带请求的数据，如表单数据、JSON 数据等。

响应结构

状态行：包含 HTTP 版本、状态码和状态消息，如 200 OK 表示请求成功。
响应头：同样包含一系列键值对，如 Content - Length 表示响应体的长度，Content - Type 表示响应体的类型。
响应体：包含服务器返回的实际数据，如 HTML 页面、JSON 数据等。

2. HTTP 与 TCP 的区别

层次不同：TCP 是传输层协议，负责数据的可靠传输；HTTP 是应用层协议，基于 TCP 提供的服务进行应用数据的传输。
连接特性：TCP 是面向连接的，在传输数据前需要建立连接，传输后断开连接；HTTP 本身是无状态的，每次请求都是独立的，虽然基于 TCP 连接，但连接可以复用也可以每次重新建立。
功能侧重点：TCP 主要关注数据传输的可靠性、顺序性和流量控制；HTTP 关注的是如何在客户端和服务器之间传输超文本等应用数据，以及如何处理请求和响应。

3. 时序图

4. 代码示例（Python + Flask）

from flask import Flask

app = Flask(__name__)

@app.route('/')
def hello_world():
    return 'Hello, World!'

if __name__ == '__main__':
    app.run(debug=True)

五、对比表格

协议	优点	缺点	实际使用场景
TCP	可靠传输，适合对数据准确性要求高的场景；面向连接，能保证数据按序到达	建立和断开连接开销大；传输效率相对较低	文件传输、电子邮件、网页浏览等
UDP	无连接，开销小，传输速度快；适合实时性要求高的场景	不可靠传输，可能会丢包、乱序	实时音视频传输、在线游戏等
WebSocket	全双工通信，实时性强；可以在浏览器和服务器之间进行实时通信	服务器资源消耗大；协议复杂度较高	实时聊天、实时数据更新、在线协作等
HTTP	简单易用，无状态，适合快速处理请求；广泛应用于 Web 开发	每次请求都需要建立新的连接，开销大；不适合实时通信	网页浏览、API 调用等