TCP、UDP、WebSocket 和 HTTP 教程

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 SocketIOapp = 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 Flaskapp = 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

六、实际使用场景总结

TCP

文件传输：如 FTP（文件传输协议），确保文件完整无误地传输。
电子邮件：SMTP（简单邮件传输协议）、POP3（邮局协议版本 3）和 IMAP（互联网邮件访问协议）等协议都基于 TCP，保证邮件的可靠传输。
网页浏览：HTTP 协议通常基于 TCP 传输，确保网页内容准确无误地显示给用户。

UDP

实时音视频传输：如 VoIP（网络电话）、视频会议等，对实时性要求高，允许一定的丢包。
在线游戏：游戏中的实时位置更新、动作同步等需要低延迟，UDP 更适合。

WebSocket

实时聊天：如即时通讯软件，用户可以实时收发消息。
实时数据更新：如股票行情、天气预报等，服务器可以实时推送最新数据。
在线协作：如多人在线文档编辑、多人游戏等，实现实时协作。

HTTP

网页浏览：用户通过浏览器访问网页，浏览器向服务器发送 HTTP 请求，服务器返回网页内容。
API 调用：前后端分离的开发模式中，前端通过 HTTP 请求调用后端的 API 接口获取数据。