面试题学习笔记 | 计算机网络 TCP 协议
在应用层之下，负责数据传输的是传输层，其中最主要的协议是 TCP 和 UDP。我们需要了解它们的特性、区别和设计思路，以便在开发时选择合适的传输方式，设计合理的接口和业务逻辑。
TCP 和 UDP 的区别是什么？
TCP 和 UDP 的区别可以从它们的全称看出。
TCP（Transmission Control Protocol）强调“控制”（Control），是一个对数据传输进行严格管理的协议（参考《图解 TCP/IP》）
UDP（User Datagram Protocol）不提供复杂的控制机制，而是依靠 IP 实现无连接的通信
具体来说，它们的区别包括以下几点：
连接方式：TCP 是面向连接的，UDP 是无连接的
数据可靠性：TCP 通过确认应答（ACK）和重传机制保证数据可靠传输，而 UDP 不保证数据可靠性
数据顺序：TCP 确保数据按顺序到达，UDP 不保证顺序
速度与开销：TCP 传输较慢但稳定，UDP 轻量、传输速度快
广播支持：TCP 不支持广播，UDP 支持
头部长度：TCP 头部长度可变（最小 20 字节），UDP 头部固定（8 字节）
因此，在实际应用中：
需要可靠传输和数据顺序保证时，选择 TCP（如 HTTP、FTP、邮件传输）
需要高速传输且能容忍数据丢失时，选择 UDP（如视频通话、在线游戏、DNS 查询）
TCP 解决了哪些问题？
TCP 通过一系列控制机制，解决了数据在不可靠的 IP 网络上传输的问题，主要包括：
1. 可靠传输
TCP 通过 序列号 和 确认应答（ACK） 机制保证数据的完整性和顺序
序列号：用于数据包排序，保证接收方能正确组装数据
ACK 机制：接收方收到数据后发送 ACK 确认，发送方若未收到 ACK，会在超时后重传数据
超时重传：超时时间（RTT + 偏差）通常以 0.5 秒为单位，第一个数据包通常超时设为 6 秒，超时后指数级增加重传间隔，达到上限后断开连接
2. 流量控制
TCP 使用 滑动窗口 机制，接收方通过 窗口大小通告 告诉发送方可接收的最大数据量，防止数据溢出，提高传输效率
3. 拥塞控制
TCP 采用 拥塞控制算法 保证网络稳定性，主要步骤包括：
慢启动：发送窗口从小到大指数增长，直到检测到网络拥塞
拥塞避免：达到一定阈值后，窗口增长速率从指数变为线性，避免拥塞
快速重传与快速恢复：收到 3 个重复 ACK 认为数据丢失，立即重传丢失的数据，调整窗口大小，快速恢复传输速度
4. TCP 三次握手与四次挥手
三次握手（建立连接）：
客户端发送 SYN（同步序列号）
服务器返回 SYN-ACK（同步确认）
客户端回复 ACK，连接建立
四次挥手（断开连接）：
客户端发送 FIN（关闭请求），进入 FIN_WAIT_1 状态
服务器返回 ACK，进入 CLOSE_WAIT，客户端进入 FIN_WAIT_2
服务器发送 FIN，表示数据发送完毕，进入 LAST_ACK
客户端返回 ACK，进入 TIME_WAIT（等待可能的重传 FIN），超时后关闭连接，服务器进入 CLOSED 状态
TCP 的粘包和拆包
TCP 传输是 面向字节流 的，不保证数据边界，因此会出现 粘包 和 拆包（也称半包）问题
粘包：多个数据包在接收方合并为一个，导致数据边界不清晰
拆包：一个数据包被拆成多个小包，导致接收方无法一次性获取完整数据
问题来源：
发送方可能会合并小包一起发送，导致粘包
由于 MTU（最大传输单元） 限制，单个大包可能会被拆分，导致拆包
解决方案：
定长消息：所有消息固定长度，接收方按照固定大小读取数据
添加分隔符：在数据包之间加入特殊分隔符（如
\n、|），接收方根据分隔符解析使用消息头：在每个数据包前加上长度信息，接收方根据长度解析完整数据
总结
TCP 作为一种可靠的、面向连接的协议，通过 序列号、ACK、流量控制、拥塞控制 等机制解决了数据在不可靠网络上的传输问题，适用于对数据可靠性和顺序要求高的应用场景
然而，TCP 由于需要建立连接、维护状态和进行流量控制，传输效率相对较低。相比之下，UDP 轻量、无连接，适用于对实时性要求高但可以容忍数据丢失的场景，如直播、游戏等
理解 TCP 的工作原理，不仅有助于更好地优化网络通信，还能在开发中选择合适的协议，提高系统性能和稳定性