消息隊列篇--通信協議篇--TCP和UDP（3次握手和4次揮手，與Socket和webSocket的概念區別等）

1、TCP和UDP概述

TCP（傳輸控制協議，Transmission Control Protocol）和UDP（用戶數據報協議，User Datagram Protocol）都算是最底層的通信協議，它們位于OSI模型的傳輸層。*傳輸層的主要職責是確保數據能夠在不同設備之間可靠地傳輸，并提供端到端的通信服務。*TCP和UDP是兩種最常見的傳輸層協議，它們各自有不同的特點和適用場景。

TCP是一種面向連接、可靠的傳輸協議，適用于需要高可靠性和順序保證的應用。它提供了流量控制、擁塞控制和重傳機制，確保數據的完整性和正確性。然而，TCP的延遲較高，吞吐量也相對較低。

三次握手：（建立連接）

第一次握手：客戶端發送SYN段給服務端。
第二次握手：服務器收到SYN后，發送SYN-ACK段給客戶端。
第三次握手：客戶端收到SYN-ACK后，發送ACK（確認）段。

注意：
為了確保連接創建的準確性，3次握手采用了計時+確認的機制。
即：客戶端發出SYN后，會開始計時，在計時內收到服務端的SYN+ACK，那么就算是正常的。同理，服務端返回SYN+ACK時，也會開啟計時，在計時內客戶端返回ACK，則算是正常，完成連接創建。如果在有一次在計時內沒有做出回應，那么連接就失敗了，就需要重頭來開始3次握手。

四次揮手：（終止連接）

第一次揮手：主動關閉方發送FIN段。
第二次揮手：被動關閉方發送ACK段。
第三次揮手：被動關閉方發送FIN段。
第四次揮手：主動關閉方發送ACK段，并進入TIME_WAIT狀態。

UDP是一種無連接、不可靠的傳輸協議，適用于對實時性要求較高的應用。它具有較低的延遲和較高的吞吐量，但不提供可靠性保證。UDP適合用于那些可以容忍少量數據丟失的應用，如視頻流、語音通話和在線游戲等。

選擇使用TCP還是UDP取決于你的具體需求。如果你的應用需要高可靠性和順序保證，那么TCP是更好的選擇；如果你的應用對實時性要求較高，且可以容忍少量數據丟失，那么UDP更加合適。

2、TCP和UDP的區別

在這里插入圖片描述

（1）、面向連接vs無連接

TCP是面向連接的協議，這意味著在數據傳輸之前，發送方和接收方必須先建立一個可靠的連接。這個過程通過三次握手來完成：發送方發送SYN（同步請求），接收方回應SYN-ACK（同步確認），然后發送方再發送ACK（確認）。只有當連接成功建立后，數據傳輸才能開始。傳輸結束后，還需要通過四次揮手來終止連接。

UDP則是無連接的協議，它不需要在數據傳輸之前建立連接。發送方可以直接發送數據報文（Datagram），而接收方也會立即接收。這種方式減少了建立連接的開銷，但同時也意味著沒有連接狀態的維護。

（2）、可靠性

TCP提供了可靠的數據傳輸。它使用序列號和確認機制來確保每個數據包都能按順序到達接收方。如果某個數據包丟失或損壞，TCP會自動請求重傳該數據包，直到接收方確認收到為止。因此，TCP適合用于需要高可靠性的應用，如文件傳輸、電子郵件等。

UDP不提供可靠性保證。它只是簡單地將數據報文發送出去，而不關心對方是否收到或是否按順序接收。因此，UDP適合用于對實時性要求較高的應用，如視頻流、語音通話等，這些應用即使偶爾丟失一些數據包也不會嚴重影響用戶體驗。

（3）、流量控制和擁塞控制

TCP提供了流量控制和擁塞控制機制。流量控制通過滑動窗口機制來限制發送方的發送速率，確保接收方不會因為接收到過多的數據而溢出。擁塞控制則通過慢啟動、擁塞避免、快速重傳和快速恢復等算法來避免網絡擁塞，確保網絡資源的有效利用。

UDP不提供流量控制和擁塞控制。發送方可以以任意速率發送數據，而不考慮網絡的當前狀態。這可能導致網絡擁塞，尤其是在網絡帶寬有限的情況下。

（4）、頭部開銷

TCP的頭部較大，通常為20字節（不含選項字段）。頭部中包含了序列號、確認號、窗口大小等重要信息，用于實現可靠傳輸和流量控制。

UDP的頭部較小，通常為8字節。頭部中只包含了源端口、目標端口、長度和校驗碼，沒有復雜的控制信息。因此，UDP的頭部開銷更小，適合對性能要求較高的應用。

（5）、延遲和吞吐量

TCP的延遲較高，因為它需要進行確認、重傳等操作，確保數據的可靠傳輸。此外，TCP的流量控制和擁塞控制也會增加傳輸時間，因此它的吞吐量相對較低，尤其是在網絡擁塞的情況下。但與此相反，TCP能提供可靠性和流量控制。

UDP的延遲較低，因為它沒有確認和重傳機制，數據可以直接發送和接收。這使得UDP更適合對實時性要求較高的應用，如視頻流、語音通話等。由于UDP沒有流量控制和擁塞控制，它的吞吐量較高，但在網絡擁塞時可能會導致數據包丟失。

（6）、應用場景

TCP適用于需要高可靠性的應用，如：

HTTP/HTTPS：網頁瀏覽
FTP：文件傳輸
SMTP：電子郵件
Telnet/SSH：遠程登錄
數據庫通信：MySQL、PostgreSQL等

UDP適用于對實時性要求較高的應用，如：

DNS：域名解析
VoIP：語音通話（如 Skype、WhatsApp 語音）
視頻流：在線視頻播放（如 YouTube、Netflix）
在線游戲：多人游戲中的實時交互
實時監控：物聯網設備的狀態更新

擴展：TCP、Socket和WebSocket的區別

1、TCP (傳輸控制協議)

TCP是OSI模型中的傳輸層協議，負責提供可靠的數據傳輸服務。它確保數據包按順序到達接收方，并且不會丟失或損壞。TCP通過序列號、確認機制、流量控制和擁塞控制等技術來保證數據的可靠性。

特點：

面向連接：在數據傳輸之前，發送方和接收方必須通過三次握手建立連接，傳輸結束后再通過四次揮手終止連接。
可靠傳輸：TCP提供了確認機制和重傳機制，確保每個數據包都能按順序到達接收方。
流量控制：通過滑動窗口機制限制發送方的發送速率，避免接收方溢出。
擁塞控制：通過慢啟動、擁塞避免、快速重傳和快速恢復等算法避免網絡擁塞。

應用場景：

HTTP/HTTPS：網頁瀏覽
FTP：文件傳輸
SMTP：電子郵件
Telnet/SSH：遠程登錄
數據庫通信：MySQL、PostgreSQL等

TCP是一種底層的傳輸層協議，提供了可靠的、面向連接的通信服務。它是許多上層應用協議的基礎，如HTTP、FTP、SMTP等。

2、Socket (套接字)

Socket是一個編程接口（API），用于實現網絡通信。它位于應用層和傳輸層之間，允許應用程序通過網絡與其他應用程序進行通信。Socket可以基于TCP或UDP協議工作，具體取決于應用的需求。

類型：

流式套接字（Stream Socket）：基于TCP，提供可靠的、面向連接的通信。
數據報套接字（Datagram Socket）：基于UDP，提供不可靠的、無連接的通信。

工作原理：

創建Socket：應用程序首先創建一個Socket對象，指定使用的協議（TCP或UDP）。
綁定地址：將Socket綁定到本地的IP地址和端口號。
監聽連接（僅適用于服務器端）：對于TCP Socket，服務器端需要調用listen()方法來等待客戶端的連接請求。
建立連接（僅適用于TCP Socket）：客戶端通過connect()方法與服務器建立連接。
發送和接收數據：通過send()和recv()方法在客戶端和服務器之間傳輸數據。
關閉連接：通信結束后，雙方調用close()方法關閉連接。

（1）、基于TCP的Socket的代碼示例

服務器端：

import java.io.*;
import java.net.;public class TCPServer {public static void main(String[] args) throws IOException {// 創建服務器Socket，監聽8080端口ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);System.out.println("Server is listening on port 8080");// 等待客戶端連接Socket clientSocket = serverSocket.accept();System.out.println("Client connected");// 獲取輸入輸出流PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));// 讀取客戶端消息并回復String inputLine;while ((inputLine = in.readLine()) != null) {System.out.println("Received: " + inputLine);out.println("Echo: " + inputLine);}// 關閉連接clientSocket.close();serverSocket.close();}
}

客戶端：

import java.io.;
import java.net.;public class TCPClient {public static void main(String[] args) throws IOException {// 客戶端，用于連接到服務器端Socket socket = new Socket("localhost", 8080);System.out.println("Connected to server");// 獲取輸入輸出流PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));BufferedReader stdIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));// 發送和接收消息String userInput;while ((userInput = stdIn.readLine()) != null) {out.println(userInput);System.out.println("Server response: " + in.readLine());}// 關閉連接socket.close();}
}

Socket是一個編程接口，允許應用程序通過網絡與其他應用程序進行通信。它可以基于TCP或UDP協議工作，具體取決于應用的需求。Socket提供了低級別的網絡通信功能，適合開發自定義的網絡應用程序。

3、WebSocket

WebSocket是一種應用層協議，旨在提供全雙工通信通道，允許客戶端和服務器之間保持持久連接，并支持雙向數據傳輸。WebSocket最初是為了改進Web瀏覽器和服務器之間的通信而設計的，但它也可以用于其他類型的客戶端-服務器通信。

特點：

全雙工通信：WebSocket允許客戶端和服務器同時發送和接收數據，而不需要像HTTP那樣依賴請求-響應模式。
持久連接：一旦連接建立，客戶端和服務器可以持續交換數據，直到一方主動關閉連接。
低延遲：由于WebSocket使用的是持久連接，減少了每次通信的開銷，因此具有較低的延遲。
基于HTTP升級：WebSocket連接是通過HTTP協議的Upgrade請求從HTTP協議升級而來，通常使用ws://或wss://（加密）URL方案。
支持文本和二進制數據：WebSocket可以傳輸文本數據（如JSON）和二進制數據（如圖像、音頻、視頻等）。

工作原理：
1、握手階段：客戶端通過HTTP請求發起WebSocket連接，服務器響應并同意升級為WebSocket協議。
2、數據傳輸階段：一旦連接建立，客戶端和服務器可以自由地發送和接收數據幀。數據幀可以是文本幀或二進制幀。
3、關閉連接：當一方決定關閉連接時，會發送關閉幀，另一方收到后也會關閉連接。

示例代碼：

import org.java_websocket.client.WebSocketClient;
import org.java_websocket.handshake.ServerHandshake;
import java.net.URI;
import java.net.URISyntaxException;public class WebSocketExample extends WebSocketClient {public WebSocketExample(URI serverUri) {super(serverUri);}@Overridepublic void onOpen(ServerHandshake handshakedata) {System.out.println("Connected to server");// 發送消息到服務器send("Hello, Server!");}@Overridepublic void onMessage(String message) {System.out.println("Received from server: " + message);}@Overridepublic void onClose(int code, String reason, boolean remote) {System.out.println("Connection closed: " + reason);}@Overridepublic void onError(Exception ex) {ex.printStackTrace();}public static void main(String[] args) {try {// 創建 WebSocket 客戶端并連接到服務器WebSocketExample client = new WebSocketExample(new URI("ws://localhost:8080"));client.connect();} catch (URISyntaxException e) {e.printStackTrace();}}
}

WebSocket是一種應用層協議，旨在提供全雙工、低延遲的通信通道，特別適合實時應用，如聊天系統、在線游戲、股票交易平臺等。它通過HTTP升級機制建立連接，并允許客戶端和服務器之間持續交換數據。

4、三者的區別與聯系

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聯系：

TCP是Socket的基礎，Socket通過TCP或UDP協議實現網絡通信。TCP提供了可靠的、面向連接的傳輸服務，而Socket是應用程序與TCP或UDP交互的接口。
WebSocket是一種應用層協議，它基于TCP協議工作，實際通過HTTP升級機制建立了更高效的全雙工通信通道。WebSocket的底層仍然是基于TCP的，但它提供了比傳統HTTP更強大的實時通信能力。

區別：

TCP是一個傳輸層協議，專注于數據的可靠傳輸和連接管理。它是許多上層協議的基礎，如HTTP、FTP、SMTP等。
Socket是一個編程接口，允許應用程序通過網絡與其他應用程序通信。它可以基于TCP或UDP協議工作，具體取決于應用的需求。
WebSocket是一種應用層協議，專門用于實現實時、全雙工的通信。它通過HTTP升級機制建立連接，并允許客戶端和服務器之間持續交換數據。

5、綜述

TCP是一種傳輸層協議，提供了可靠的、面向連接的通信服務，是許多上層協議的基礎。
Socket是一個編程接口，允許應用程序通過網絡與其他應用程序通信。它可以基于TCP或UDP協議工作，具體取決于應用的需求。
WebSocket是一種應用層協議，旨在提供全雙工、低延遲的通信通道，特別適合實時應用，如聊天系統、在線游戲等。它通過HTTP升級機制建立連接，并基于TCP協議工作。

選擇使用哪種技術取決于你的具體需求：