01-4. TCP vs UDP

⏱️ 閱讀時間： 12 分鐘 🎯 難度： ⭐⭐ (簡單)

🎯 本篇重點

深入理解 TCP 和 UDP 的差異、使用場景、三次握手流程，以及如何選擇適合的協定。

🤔 TCP 和 UDP 是什麼？

TCP (Transmission Control Protocol) = 可靠的傳輸協定 UDP (User Datagram Protocol) = 快速的傳輸協定

一句話解釋： TCP 像掛號信（確保送達、有順序），UDP 像廣播（快速但不保證收到）。

📮 用寄信來比喻 TCP vs UDP

TCP = 掛號信

你要寄重要文件給朋友：

步驟 1：確認地址（建立連線）
你：我要寄信給 123 號，有這個地址嗎？
郵局：有，可以寄

步驟 2：寄信（傳輸資料）
郵局：編號 1 號包裹
郵局：編號 2 號包裹
郵局：編號 3 號包裹

步驟 3：確認收到（回覆確認）
朋友：收到 1 號 ✅
朋友：收到 2 號 ✅
朋友：收到 3 號 ✅

步驟 4：完成（關閉連線）
你：所有包裹都寄完了
朋友：確認收到全部

優點：
✅ 保證送達
✅ 保證順序
✅ 可以重寄

缺點：
❌ 慢（需要確認）
❌ 開銷大（需要建立連線）

UDP = 廣播

你用喇叭廣播通知大家：

步驟 1：直接喊話（無需建立連線）
你：大家注意！現在下雨了！

步驟 2：不管有沒有人聽到
- 可能有人聽到
- 可能沒人聽到
- 可能只聽到一半

優點：
✅ 快速（不用確認）
✅ 簡單（不用建立連線）
✅ 低開銷

缺點：
❌ 不保證送達
❌ 不保證順序
❌ 不會重傳

🔍 TCP vs UDP 完整對比

核心差異表

使用場景對比

🤝 TCP 三次握手（Three-Way Handshake）

為什麼需要三次握手？

建立可靠連線需要雙方確認：

1. 客戶端能發送
2. 伺服器能接收和發送
3. 客戶端能接收

三次握手流程

【第一次握手 - SYN】
客戶端 → 伺服器：你好，我想連線（SYN）
- 發送 SYN 標記
- 序號 = 100

【第二次握手 - SYN-ACK】
伺服器 → 客戶端：好的，我收到了，我也想連線（SYN-ACK）
- 發送 SYN + ACK 標記
- 確認號 = 101（客戶端序號 + 1）
- 序號 = 200

【第三次握手 - ACK】
客戶端 → 伺服器：確認，開始傳輸資料（ACK）
- 發送 ACK 標記
- 確認號 = 201（伺服器序號 + 1）

連線建立！開始傳輸資料

用生活比喻理解

類比：打電話

第一次握手（SYN）：
你：喂？（拿起電話撥號）

第二次握手（SYN-ACK）：
朋友：喂？我是小明（接起電話）

第三次握手（ACK）：
你：嗨小明，我是小華（確認身份）

現在可以開始對話了！

為什麼不是兩次握手？

如果只有兩次握手：

客戶端 → 伺服器：我想連線（SYN）
伺服器 → 客戶端：好的（SYN-ACK）

問題：
如果客戶端發送的第一個 SYN 在網路延遲...
過了很久才到達伺服器...
伺服器以為是新連線，就建立連接...
但客戶端早就放棄了！

結果：伺服器白白浪費資源等待

三次握手可以避免這個問題：
客戶端會發送最後的 ACK 確認，伺服器才真正建立連線

🔚 TCP 四次揮手（Four-Way Handshake）

為什麼需要四次揮手？

關閉連線時，雙方都要確認沒有資料要傳了。

四次揮手流程

【第一次揮手 - FIN】
客戶端 → 伺服器：我沒資料要傳了（FIN）
- 發送 FIN 標記

【第二次揮手 - ACK】
伺服器 → 客戶端：好的，我知道了（ACK）
- 發送 ACK 標記
- 但伺服器可能還有資料要傳

【第三次揮手 - FIN】
伺服器 → 客戶端：我也沒資料要傳了（FIN）
- 發送 FIN 標記

【第四次揮手 - ACK】
客戶端 → 伺服器：好的，確認關閉（ACK）
- 發送 ACK 標記

連線關閉！

用生活比喻理解

類比：結束電話

第一次揮手（FIN）：
你：我說完了，先這樣（準備掛電話）

第二次揮手（ACK）：
朋友：好的，我知道了（但他還想說）

第三次揮手（FIN）：
朋友：我也說完了，掛了吧（真的要掛了）

第四次揮手（ACK）：
你：好，再見（真的掛電話）

電話結束！

💻 實戰範例

TCP Socket 程式範例（Python）

# TCP 伺服器
import socket

# 建立 TCP Socket
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server.bind(('localhost', 8080))
server.listen(5)  # 最多 5 個等待連線
print("TCP 伺服器啟動，等待連線...")

while True:
    # 接受連線（三次握手發生在這裡）
    client, addr = server.accept()
    print(f"客戶端連線：{addr}")

    # 接收資料
    data = client.recv(1024)
    print(f"收到：{data.decode()}")

    # 回傳資料
    client.send("伺服器收到了！".encode())

    # 關閉連線（四次揮手發生在這裡）
    client.close()

# TCP 客戶端
import socket

# 建立 TCP Socket
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 連線到伺服器（三次握手）
client.connect(('localhost', 8080))

# 發送資料
client.send("Hello TCP!".encode())

# 接收回應
response = client.recv(1024)
print(f"伺服器回應：{response.decode()}")

# 關閉連線（四次揮手）
client.close()

UDP Socket 程式範例（Python）

# UDP 伺服器
import socket

# 建立 UDP Socket
server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
server.bind(('localhost', 8080))
print("UDP 伺服器啟動，等待資料...")

while True:
    # 接收資料（無需建立連線）
    data, addr = server.recvfrom(1024)
    print(f"收到來自 {addr} 的訊息：{data.decode()}")

    # 發送回應（直接發送，不確認）
    server.sendto("伺服器收到了！".encode(), addr)

# UDP 客戶端
import socket

# 建立 UDP Socket
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 發送資料（無需連線）
client.sendto("Hello UDP!".encode(), ('localhost', 8080))

# 接收回應（可能收到，可能沒收到）
try:
    client.settimeout(2)  # 設定 2 秒逾時
    response, addr = client.recvfrom(1024)
    print(f"伺服器回應：{response.decode()}")
except socket.timeout:
    print("沒有收到回應（UDP 特性）")

# 關閉 Socket
client.close()

🎬 完整流程範例

TCP 傳輸網頁（可靠）

你瀏覽 www.google.com

步驟 1：三次握手（建立連線）
1. 瀏覽器 → Google：SYN
2. Google → 瀏覽器：SYN-ACK
3. 瀏覽器 → Google：ACK
✅ 連線建立

步驟 2：發送 HTTP 請求
瀏覽器 → Google：GET /index.html HTTP/1.1
Google → 瀏覽器：ACK（確認收到）

步驟 3：接收 HTTP 回應
Google → 瀏覽器：HTTP/1.1 200 OK + 網頁內容
瀏覽器 → Google：ACK（確認收到）

步驟 4：四次揮手（關閉連線）
1. 瀏覽器 → Google：FIN
2. Google → 瀏覽器：ACK
3. Google → 瀏覽器：FIN
4. 瀏覽器 → Google：ACK
✅ 連線關閉

結果：網頁完整顯示，沒有遺失任何資料

UDP 傳輸視訊通話（快速）

你用 Zoom 視訊通話

步驟 1：直接傳輸（無需握手）
你的電腦 → 對方電腦：視訊封包 1
你的電腦 → 對方電腦：視訊封包 2
你的電腦 → 對方電腦：視訊封包 3

步驟 2：不確認收到
- 封包 1：送達 ✅
- 封包 2：遺失 ❌
- 封包 3：送達 ✅

結果：
- 畫面稍微卡頓（封包 2 遺失）
- 但對話繼續（即時性重要）
- 不會重傳（太慢了）

如果用 TCP：
- 封包 2 遺失 → 等待重傳 → 畫面停住
- 用戶體驗很差

🤔 如何選擇 TCP 還是 UDP？

決策流程圖

開始
  ↓
需要保證資料完整性嗎？
  ├─ 是 → 用 TCP
  │        ├─ 網頁瀏覽
  │        ├─ 電子郵件
  │        ├─ 檔案傳輸
  │        └─ API 呼叫
  │
  └─ 否 → 需要即時性嗎？
           ├─ 是 → 用 UDP
           │        ├─ 視訊通話
           │        ├─ 線上遊戲
           │        ├─ 直播串流
           │        └─ VoIP
           │
           └─ 否 → 視情況
                    └─ DNS（UDP 優先，失敗才用 TCP）

實際案例分析

案例 1：下載 1GB 檔案

需求：
- 檔案完整（不能少一個 byte）
- 速度不是最重要
- 可以接受稍慢

選擇：TCP ✅
理由：
- 保證每個 byte 都正確
- 自動重傳錯誤封包
- 有流量控制（不會塞爆網路）

案例 2：視訊會議

需求：
- 即時性最重要（延遲 < 200ms）
- 少量畫格遺失可接受
- 不能卡頓

選擇：UDP ✅
理由：
- 快速傳輸，無需確認
- 遺失少量封包不影響整體
- 如果用 TCP 等待重傳會更卡

案例 3：線上遊戲

需求：
- 即時反應（延遲 < 50ms）
- 遺失少量位置更新可接受
- 但關鍵操作（攻擊、施法）要確保送達

選擇：混合 ✅
理由：
- 玩家位置更新 → UDP（快速）
- 攻擊指令 → TCP（可靠）
- 或者用 UDP + 應用層確認機制

案例 4：DNS 查詢

需求：
- 快速查詢（< 100ms）
- 資料量小（通常 < 512 bytes）
- 偶爾失敗可接受（重試即可）

選擇：UDP（優先）✅
理由：
- 快速簡單
- 資料量小，不容易出錯
- 失敗就重試（應用層處理）
- 如果回應太大（> 512 bytes），改用 TCP

📊 TCP vs UDP 效能比較

傳輸速度測試

import socket
import time

def test_tcp_speed():
    """測試 TCP 傳輸速度"""
    server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    server.bind(('localhost', 8080))
    server.listen(1)

    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    client_socket.connect(('localhost', 8080))

    conn, _ = server.accept()

    # 傳輸 1MB 資料
    data = b'x' * 1_000_000
    start = time.time()
    client_socket.send(data)
    conn.recv(1_000_000)
    end = time.time()

    print(f"TCP 傳輸時間：{end - start:.4f} 秒")

    client_socket.close()
    conn.close()
    server.close()

def test_udp_speed():
    """測試 UDP 傳輸速度"""
    server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    server.bind(('localhost', 8080))

    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

    # 傳輸 1MB 資料（分批，UDP 有大小限制）
    chunk_size = 65507  # UDP 最大封包大小
    data = b'x' * chunk_size

    start = time.time()
    for _ in range(1_000_000 // chunk_size):
        client_socket.sendto(data, ('localhost', 8080))
        server.recvfrom(chunk_size)
    end = time.time()

    print(f"UDP 傳輸時間：{end - start:.4f} 秒")

    client_socket.close()
    server.close()

# 執行測試
test_tcp_speed()  # 約 0.15 秒
test_udp_speed()  # 約 0.08 秒（快 2 倍）

🎓 面試常見問題

Q1：TCP 為什麼需要三次握手？兩次不行嗎？

A：不行，原因有兩個：

1. 防止舊連線請求
   - 如果只有兩次握手
   - 舊的 SYN 在網路延遲後到達
   - 伺服器會誤以為是新連線
   - 浪費資源

2. 確認雙方都能收發
   - 第一次握手：確認客戶端能發送
   - 第二次握手：確認伺服器能接收和發送
   - 第三次握手：確認客戶端能接收
   - 三次才能完整確認

範例：
SYN1（延遲）→ 網路延遲中...
SYN2 → SYN-ACK → ACK → 正常連線 → 關閉
SYN1（終於到了）→ 伺服器收到

如果兩次握手：
伺服器建立連線，但客戶端不理它
→ 浪費資源

如果三次握手：
伺服器等客戶端的 ACK
→ 客戶端不回應（因為不是它發的）
→ 伺服器逾時，不建立連線

Q2：為什麼 TCP 關閉需要四次揮手？

A：因為 TCP 是全雙工（Full-Duplex）通訊

全雙工：雙方可以同時傳送和接收

關閉連線時：
1. 客戶端說：我不傳了（FIN）
2. 伺服器說：知道了（ACK）
   - 但伺服器可能還有資料要傳
3. 伺服器傳完後說：我也不傳了（FIN）
4. 客戶端說：知道了（ACK）

為什麼不能合併 2 和 3？
- 因為伺服器收到 FIN 時，可能還有資料要傳
- 需要先回 ACK 告知收到
- 等資料傳完才發 FIN

特殊情況：
如果伺服器沒有資料要傳，可以合併 ACK 和 FIN
→ 變成三次揮手

Q3：UDP 沒有連線，怎麼知道要傳給誰？

A：UDP 每個封包都帶有目的地資訊

UDP 封包結構：
├─ 來源 IP 地址
├─ 來源 Port
├─ 目的 IP 地址
├─ 目的 Port
└─ 資料

每個封包都是獨立的：
- 不需要建立連線
- 每個封包都知道要去哪裡
- 就像寄明信片，每張都寫地址

TCP vs UDP：
TCP：
- 建立連線（記住對方是誰）
- 後續封包直接傳（不用每次都寫地址）
- 像打電話（線路建立後，不用每次報身份）

UDP：
- 不建立連線
- 每個封包都寫地址
- 像寄明信片（每張都要寫地址）

Q4：什麼情況下 UDP 比 TCP 好？

A：需要速度 > 可靠性時

1. 即時通訊（視訊、語音）
   - 延遲 < 200ms 才不會卡
   - 少量畫格遺失可接受
   - 重傳會讓畫面更卡

2. 線上遊戲
   - 反應要快（延遲 < 50ms）
   - 位置更新遺失沒關係（下一個封包會更新）
   - 重傳會導致角色瞬移

3. 廣播/多播
   - 一對多傳輸
   - 不可能跟每個人建立 TCP 連線
   - DNS、DHCP 都用 UDP

4. 物聯網（IoT）
   - 設備資源有限
   - TCP 開銷太大
   - 簡單的感測器數據用 UDP

但要注意：
- UDP 沒有流量控制 → 可能塞爆網路
- UDP 沒有擁塞控制 → 可能造成網路癱瘓
- 需要應用層自己處理可靠性

Q5：TCP 如何保證可靠性？

A：五個機制保證可靠性

1. 序號（Sequence Number）
   - 每個封包編號
   - 接收方可以排序
   - 例：封包 3 → 封包 1 → 封包 2
   - 排序後：封包 1 → 封包 2 → 封包 3

2. 確認號（Acknowledgment）
   - 接收方回覆：我收到第 N 個封包了
   - 發送方知道成功送達

3. 重傳機制
   - 發送方等待 ACK
   - 逾時沒收到 → 重傳
   - 例：發送封包 5 → 等待 → 逾時 → 重傳封包 5

4. 校驗和（Checksum）
   - 檢查資料有沒有損壞
   - 損壞 → 丟棄 → 重傳

5. 流量控制（Flow Control）
   - 接收方告訴發送方：我的緩衝區還有多少空間
   - 發送方依此調整速度
   - 避免接收方來不及處理

範例：
發送方：傳送封包 1, 2, 3, 4, 5
接收方：收到 1, 2, 4, 5（3 遺失）
接收方：回覆 ACK=3（我收到了 1, 2，等待 3）
發送方：重傳封包 3
接收方：收到 3，排序成 1, 2, 3, 4, 5
接收方：回覆 ACK=6（全部收到）

✅ 重點回顧

TCP vs UDP 核心差異：

• TCP = 可靠、慢、有連線（掛號信）
• UDP = 快速、不可靠、無連線（廣播）

TCP 特性：

• ✅ 三次握手建立連線（SYN → SYN-ACK → ACK）
• ✅ 保證送達、保證順序
• ✅ 流量控制、擁塞控制
• ✅ 四次揮手關閉連線（FIN → ACK → FIN → ACK）

UDP 特性：

• ✅ 無需建立連線（直接傳）
• ✅ 快速、低開銷
• ❌ 不保證送達、不保證順序

使用場景：

• TCP：網頁、郵件、檔案傳輸、API
• UDP：視訊、遊戲、直播、DNS、VoIP

選擇原則：

• ✅ 需要完整資料 → TCP
• ✅ 需要即時反應 → UDP
• ✅ 混合使用（關鍵資料用 TCP，即時更新用 UDP）

面試重點：

• ✅ 三次握手的目的（防止舊連線、確認雙向收發）
• ✅ 四次揮手的原因（全雙工，需要雙方都確認關閉）
• ✅ TCP 可靠性機制（序號、確認、重傳、校驗、流量控制）
• ✅ UDP 適用場景（即時性 > 可靠性）

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最後更新：2025-01-06