通俗易懂说通信之承上启下的TCP/UDP 协议

本期我们为大家带来的是TCP协议（传输控制协议）和UDP协议（用户数据报协议）的特点及应用场合，以及这两种协议之间的区别。

一、通讯协议介绍

我们知道协议的任务是通信，比如常见的TIA Portal STEP7，在线监视CPU或者向CPU下载程序，TIA Portal WinCC从CPU上采集数据，操作人员点击按钮来控制设备，或者对PID参数做设置，然后调节现场阀门，这些都会有通讯。

以WinCC将数据传到CPU过程为例：下图是通信过程的示意图，是大家熟知的七层模型。可以看到从上层PC将应用层数据向物理层传递，它会逐层封装每一层的首部，到达物理层之后，物理层将数据转换成比特流传给对方。CPU会逐层去除首部，最终应用层收到数据。

TCP/IP 参考模型

上面提到了七层模型，对于TCP/IP还有一个四层模型，从下往上看，最下面叫数据链路层，这里面会有以太网的MAC地址；网络层是大家熟知的IP协议，这里有IP的信息，路由转发就是在这一层；UDP和TCP在传输层；最上面一层基本上都是基于UDP和TCP封装的各种应用层协议，由UDP封装的协议有：DHCP、SNMP，还有语音；TCP封装的协议有：S7通信协议、Modbus TCP、HTTP等。

二、TCP协议特点

1、TCP封装

见下图，最下面是数据链路层、然后是网络层、最上面是传输层。

IP的首部长度是20个字节，TCP也是20个字节，对于以太网来讲，首部字节越多，代表协议可以做越多复杂的工作。

MTU是以太网的最大传输单元，最大字节是1500字节，也就是IP分片的长度。MSS是TCP最大数据段长度，一个TCP的报文中应用层数据的最大值。

2、TCP首部

源部端口的作用是定位；确认号是将接收方将发来的数据最后一个字节的序号加1发给对方，它们都是保证数控是可靠传输的。

状态位，表示不同类型的TCP报文，比如建立三次握手的SYN，也就是TCP的首包，这里还有ACK是确认包。

窗口是作为数据流量控制用的，避免接收方缓冲区溢出，这一点就体现了TCP字节流的特点。可以看到TCP报文中没有数据报文长度的信息。

3、TCP实际报文

下图是两台S7-1500 CPU间做TCP通信三次握手的报文：以太网的头部有源部MAC地址，IP首部有源部IP地址，TCP有源部端口号，TCP中还包括窗口大小，S7-1500的窗口大小是8192字节。这里还有一个MSS是1460字节。这些在抓取的报文中都可以看到。

三、UDP协议特点

1、UDP报文

UDP的头部只有8个字节的长度，包括：源部端口、总长度的信息，这也体现了UDP数据报的特点，类似电报或报纸有固定的长度。IP分段的长度是1500-20-8=1472个字节。

2、UDP实际报文

我们来抓包看一下，两台S7-1500之间传递一个2K的字节数据，也就是2048字节，在IP这一层里可以看出分了两片，第一片是1480字节，第二片是576字节，两者相加等于2056字节，即：UDP总长度=UDP首部(8) + 数据长度(2048)。由此可见抓包是最有效的网络诊断方式。

三、UDP协议特点

1、UDP报文

UDP的头部只有8个字节的长度，包括：源部端口、总长度的信息，这也体现了UDP数据报的特点，类似电报或报纸有固定的长度。IP分段的长度是1500-20-8=1472个字节

2、UDP实际报文

我们来抓包看一下，两台S7-1500之间传递一个2K的字节数据，也就是2048字节，在IP这一层里可以看出分了两片，第一片是1480字节，第二片是576字节，两者相加等于2056字节，即：UDP总长度=UDP首部(8) + 数据长度(2048)。由此可见抓包是最有效的网络诊断方式。

四、TCP协议和UDP协议对比及应用场合

协议对比如下图：

由此可见，TCP协议可以保证数据完整无误的传给对方，但在传输性能上开销大、传输慢，且只能一对一传输；而UDP协议不保证对方是否接收到数据，它追求效率，传输快，如果UDP要解决丢包或不重传的问题，可以在应用层上想办法解决，它支持一对多的通讯。它们在不同的应用场合下有各自的适用性，可以互补。

应用对比如下图：

以上我们介绍了TCP协议和UDP协议的特点及应用场合，接下来工程师还会带我们演示如何选TCP还是UDP协议，以及如何轻松解决TCP/UDP通信相关的各种问题，大家可以在1847学习平台搜索《以太网主流协议、特点及应用场合——承上启下的TCP/UDP》继续学习。