基礎網路概念 - TCP 與 UDP 協定

上一篇了解通訊協定以及常見的通訊協定應用之後，這篇來聊聊傳輸層中的兩個協定， TCP 與 UDP。

TCP 協定

TCP (Transmission Control Protocol) 提供一個可靠的連線導向 (Connection Oriented) 的資料流傳輸機制，負責發送端與接收端的協定建立，並且保證資料在網路上傳送的安全性。 TCP 會在接收會議層以上的通訊協定而來的資料之後，將其分割成較小封包，以便於傳輸，在將資料分割成封包時就會先附上序列編號，接著再將該封包傳送至網路層的 IP。接收端可以透過檢查編號將封包重新排序，以確保封包排列的正確性。

TCP 協定的主要功能

1. 循序編號：TCP 為每個封包加上編號，如此一來，即使封包沒有按照原來的發送順序到達接收端，接收端仍可以藉由此編號進行正確的重組。
2. 資料確認與重送：接收端透過與發送端的相互溝通，針對所傳來的每一個封包回送已收到的確認封包，類似郵局的雙掛號的回條概念。如果發送端在預定的時間內沒有收到該確認封包，就會認定接收端沒有收到某一部分的資料而傳輸失敗，於是便會利用重送機制，來重新傳送該封包，直至收到接收端的確認封包為止。
3. 錯誤檢查：TCP 會在每個封包的表頭中加上一個檢查欄位，用來確認是否為欲傳輸的原始封包，在接收端一旦發現檢查值不合，就表示該封包已毀損或出現錯誤，接收端便無法發出確認的封包。
4. 流量控制：TCP 具有流量控制的功能，以因應由於軟硬體差異，而導致每台電腦處理資料的速度不同的問題，能夠視情況的調整資料傳輸的速度，盡量減少資料流失的狀況。

TCP 傳送機制

TCP 的傳送機制有以下幾個重要的概念：

1. 三向交握 (Three-way Handshake) 程序：
   • 連線請求：當要建立一個 TCP 連線時，就必須利用封包內的同步旗標(SYN，Synchronize)欄位設為 1，其他欄位為 0，讓另一端的系統知道有人要求連線。
   • 連線確認：接收端接收到此連線封包，並且確認可提供這個服務，便會將要回傳的封包 SYN 旗標欄位設為 1，也會將確認旗標(ACK， Acknowledge)欄位設為 1，讓發送端知道其要求連線的傳輸已被收到且確認。
   • 連線成功：接著發送端會將 SYN 旗標欄位設為 0，ACK 欄位設為 1 傳回，告知「已確認你的確認動作，要開始傳輸資料」。

簡略表示圖

2. 確認封包機制：TCP 使用可靠的傳輸機制，也就是確認與重送。接收端以確認信息(Acknowledgement)回應發送端，確定資料正確無誤的送達，雙方也會保留傳輸封包的紀錄，以作為下一筆資料的確認依據。
3. 逾時及重送機制：發送端在送出封包後，會開始一個該封包的計時器 (Timer)，其功能是如果在逾時之前收到封包的確認信息，則表示送收正常，取消該封包的計時器，繼續進行下一個封包的傳送。當然，如果沒有按照預估的時間內接到目的端的確認信息封包，則發送端會認為此封包可能在傳輸途中遺失，便會重新發送，並重設計時器。
4. 滑動窗 (Sliding Windows)：封包的確認及重送機制，雖能保證傳輸的正確無誤，但在效能上卻是一項問題。為解決這個問題，便出現了滑動窗這項技術。滑動窗可視為是多重發送及多重確認的技術，它能夠讓發送端在接收到確認信息之前，同時傳輸數個封包，如此可以更充分的利用網路頻寬及加速資料傳輸速度。

UDP 協定

UDP 提供一個非可靠的非連線型的資料流傳輸服務，所謂的非連線型，指的是在不通知傳送目標要開始傳送訊息的情況之下，突然開始進行送訊的一種方式。因此在通訊上的可靠性較低，但若與 TCP 比較，則因為其通訊協定本身的負擔較輕，所以速度會比較快，適合用於即時服務等範疇上。

UDP 不會運用確認機制來保證資料是否正確的被接收，資料的接收也不必按照順序，不需要重新傳送遺失的資料，也不提供回傳機制來控制資料流的速度。因此，若要傳輸像語音、影像等訊息量較大的資料，可以容忍遺失一些封包，此時會較建議使用 UDP 協定。

TCP 與 UDP 比較

	TCP	UDP
連接特性	可靠的連接導向	非可靠的連接導向
速度	慢	快
傳輸方式	封包按順序傳輸	封包以串流方式傳輸
握手程序	需要	不需要
優點	可靠的傳輸機制	傳輸量大、迅速
缺點	速度較慢	不可靠，應用程式須自行提供可靠機制
適用服務	如電子郵件、檔案傳輸	如串流媒體、網路遊戲

參考資料

• 30-11之 TCP 與 UDP 協議 - iT 邦幫忙::一起幫忙解決難題，拯救 IT 人的一天
• TCP 和 UDP 是什麼：簡單的說明 | NordVPN