网络：TCP与UDP

IP层之上就是传输层，而传输层比较重要的两个协议：TCP和UDP。对于不从事底层开发的人员来讲，或者对于应用开发的人来讲，最常用的就是这两个协议。

TCP和UDP有哪些区别

TCP是面向连接的，UPD是面向无连接的。

那什么叫做面向连接，什么叫做无连接呢？

在互通之间，面向连接的协议会先建立连接。比如，TCP会三次握手，而UDP不会

为什么要建立连接呢？你TCP三次握手，我UDP也可以发三个包玩玩，有什么区别吗？

所谓的建立连接，是为了在客户端和服务端维护连接，而建立一定的数据结构来维护双方交互的状态，用这样的数据结构来保证所谓的面向连接的特性

• 比如，TCP提供可靠交互。通过TCP连接传输的数据，无差错、不丢失、不重复，并且按序到达。 IP包是没有任何可靠性保证的，一旦发出去，就像西天取经，走丢了，被妖怪吃了，都只能随它去了。但是TCP却能够保证可靠交付，而UDP继承了IP包的特性，不保证不丢失，不保证按顺序到达
• 再如，TCP是面向字节流的。发送的时候发的是一个流，没头没尾。IP包可不是一个流，而是一个个IP包。之所以变成了流，这也是TCP自己的状态维护做的事情。而UDP继承了IP的特性，基于数据报的，一个一个的发，一个一个的接收
• TCP是可以有拥塞控制的。它意识到包被丢弃了会在网络的环境不好了，就会根据情况调整自己的行为，看看是不是发块了，要不要发慢点。UDP就不会，应用让我发，我就发，管它洪水滔天
• 因而TCP其实是一个有状态服务，也就是说它是有脑子的，里面精确的记着发送了没有，接收到了没有，发送到哪个那，应该接收哪个了，错一点而都不行，而UDP是无状态服务，发出去了就发出了，不会去记忆

我们可以这样比喻，果MAC层定义了本地局域网的传输行为，IP层定义了整个网络端到端的传输行为，这两层基本定义了这样的基因：网络传输是以包为单位的，二层叫做帧，网络层叫做包，传输层叫做段。我们笼统的称为包，包单独传输，自行选路，在不同的设备封装解封装，不保证到达。基于这个基因，生下来的UDP完全集成了这些特性，几乎没有自己的思想。

UDP

• 当我发送的UDP包到达目标机器后，发现MAC地址匹配，于是就取下来，将剩下的包传给处理IP层的代码。把IP头取下来，发现目标IP匹配，接下来呢？这里面的数据报是发给谁呢？
• 发送的时候，我知道我发的是一个UDP的包，收到的那台机器是如何知道的呢？所以在IP头里面有个8位协议，这里会存放，数据里面到底是TCP还是UDP，当然这里是UDP。于是，如果我们知道UDP头的格式，就能从数据里面，将它解析出来。解析出来以后呢？数据给谁呢？
• 处理完传输层的事情，内核的事情基本就干完了，里面的数据应该交给应用程序自己去处理，可是一台机器上跑着那么多的应用程序，应该给谁呢？无论是应用程序写的使用TCP传输数据，还是UDP传输数据，都要监听一个端口。正是这个端口，要不说端口不能冲突呢。两个应用监听同一个端口，到时候包给谁呀？所以，按理说，无论是TCP还是UDP包头里面都应该有端口号，根据端口号，将数据交给响应的应用程序。

• 当我们看到UDP包头的时候，发现的确有端口号，有源端口号和目标端口号。因为是两端通信嘛。你还会发现，UDP除了端口号，再没有其他的了。和TCP比起来，这个简单的一塌糊涂啊

UDP的三大特点

UDP就像小孩子一样，有这些特点：

• 第一，沟通简单，不需要一肚子花花肠子（大量的数据结构、处理逻辑，包头字段）。前提是它相信网络世界是美好的，相信网络通路默认是很容易送达的，不容易被丢弃的
• 第二，亲信他人。它不会建立连接，虽然有端口号，但是监听在这个地方，谁都可以传给它数据，他也可以传给任何人数据，甚至可以同时传给多个人数据
• 第三，愣头青，做事不懂权变。不知道什么时候该坚持，什么时候该退让。它不会根据网络的情况进行包的拥塞控制，无论网络丢包丢城啥样了，它该怎么发还是怎么发

UDP的三大场景

基于UDP的这些特点，我们可以考虑在下面场景中使用：

• 第一，需要资源少，在网络情况比较好的内网，或者对于丢包不敏感的应用。
  • 比如DHCP就是基于UDP协议的。一般的获取IP地址都是内网请求，而且一次获取不到IP有没事，过一会儿还有机会。
  • PXE可以在启动的时候自动安装操作系统，操作系统镜像下载的时候使用的TFTP也是基于UDP协议的。在还没有操作系统的时候，客户端拥有的资源很少，不适合维护一个复杂的状态机，而且因为是内网，一般也没啥问题
• 第二，不需要一对一沟通，建立连接，而是可以广播的应用。
  • UDP这种不面向连接的功能，可以使得承载广播或者多播的协议。
  • DHCP就是一种广播的形式
  • 对于多播，IP地址中有一个D类地址，也就是组播地址，使用这个地址，可以将包组播给一批机器。当一个机器上的某个进程想监听某个组播地址的时候，需要发送IGMP包，所在网络的路由器就能收到这个包，知道有关机器上有个进程在监听这个组播地址。当路由器收到这个组播地址的时候，会将包转发给这台机器，这就实现了跨路由器对的组播
• 第三，需要处理速度快，时延低，可以容忍少数丢包，但是要求即使网络拥塞，也毫不推送，一往无前的时候
  • UDP简单、处理速度快，不像TCP那样，操这么多的心：各种重传、保证顺序、前面的收不到后面就没法处理呢。不然等这些事情做完了，时延早就上去了。而TCP在网络不好出现丢包的时候，拥塞控制策略就会主动的退缩，降低发送速度。
  • 当前很多应用都是要求低时延的，它们可不想用TCP如此复杂的机制，而是想根据自己的场景，实现自己的可靠和连接保证。比如，如果应用自己觉得，有些包丢了就丢了，没必要重传；有的比较重要，则应用自己重传，而不依赖于TCP；前面的包没到，后面的先到了，那就先给客户展示后面吗，干嘛非得到齐呢；如果网络不好，丢了包，那不能推送啊，要尽快传啊，速度不能降下来嘛，要挤占带宽，抢在客户失去耐心之前到达。由于UDP十分简单，基本什么都没干，也就是给了应用“城会玩”的机会

基于UDP的“城会玩”的五个例子

网页或者ARP的访问

原来访问网页和手机ARP都是基于HTTP协议的。HTTP协议是基于TCP的，建立连接都需要多次交互，对于时延比较大的目前的驻留的移动互联网来讲，建立一次连接需要的时间会比较长，然而既然是移动中，TCP可能还会断了重连，也是很耗时的。而且目前的HTTP协议，往往采用多个数据通道共享一个连接的情况，这样本来为了加速传输速度，但是TCP的严格顺序策略使得哪怕共享通道，前一个不来，后一个和前一个即便没有关系，也要等着，时延也会加大。

而QUIC(即Quick UDP Internet Connections，快速UDP互联网连接)是google提出的一种基于UDP改进的通信协议，其目的是降低网络通信的延迟，提供更好的用户互动体验。

QUIC在应用层上，会自己实现快速连接建立，减少重传时延，自适应拥塞控制，是应用层城会玩的代表

流媒体的协议

现在直播比较火，直播协议多使用RTMP，而RTMP协议也是基于TCP的。TCP的严格顺序传输要保证前一个收到了，下一个才能确认，如果前一个收不到，下一个就算包已经收到了，在缓存里面，也需要等着。对于直播来讲，显然是不合适的，因为老的视频帧丢了其实也就是丢了，就算在传过来用户也不在意了，他们要看新的了，如果老是没来就等着，卡顿了，新的也看不了，那就回丢失客户，所以直播，实时性比较重要，宁可丢包，也不要卡顿的。

另外，对于丢包，其实对于视频播放来讲，有的包可以丢，有的包不能丢，因为视频的连续帧里面，有的帧重要，有的帧不重要，如果必须要丢包，隔几个帧丢一个，其实看视频的人不会感知，但是如果连续丢帧，就会感知了，因而在网络不好的情况下，应用希望选择性的丢帧。

还有就是当网络不好的时候，TCP协议会主动降低发送速度，这对本来当时就卡的看视频来讲是要命的，应该应用层会马上重传，而不是主动让不去。因而，很多直播应用，都基于UDP实现了自己的视频传输协议。

实时游戏

游戏有一个特点，就是实时性比较高，快一秒你干掉别人，慢一秒你被别人爆头。因而，实时游戏中客户端和服务端需要建立长连接，来保证实时传输。但是游戏玩家很多，服务器却不多。由于维护TCP连接需要在内核维护一些数据结构，因而一台机器能够支撑的TCP连接数目是有限的，然后UDP由于是没有连接的，在异步IP机制引入之前，尝尝是应对海量客户端连接的策略。

另外还是TCP的强顺序问题，对战的游戏，对网络的要求很简单，玩家通过客户端发送给服务器鼠标和键盘行走的位置，服务器会处理每个用户发送过来的所有场景，处理完再返回给客户端，客户端解析响应，渲染最新的场景展示给玩家。

如果出现一个数据报丢失，所有事情都需要等待这个数据包重发，客户端会出现等待接收数据报，然而玩家并不关心过期的数据，激战中卡1s，等能动了就已经死了

游戏对实时要求较为严格的情况下，采用自定义的可靠UDP协议，自定义重传策略，能够把丢包产生的延时降到最低，尽量减少网络问题对游戏性造成的影响。

IoT物联网

一方面，物联网领域终端资源少，很可能只是个内存非常小的嵌入式系统，而维护TCP协议代价太大；另一方面，物联网对实时性要求也很高，而TCP还因为上面那些原因导致时延大。物联网协议thread就是基于UDP协议的

移动通信网络

在4G网络里面，移动流量上网的数据面对的协议GTP-U是基于UDP的，因为移动互联网比较复杂，而GTP协议本身就包含复杂的手机上线下线的通信协议。如果基于TCP，TCP的机制就显得非常多余。

TCP

TCP不像UDP，相信“网之初，性本善，不丢包，不乱序”。它天然认为网络环境是恶劣的，丢包、乱序、重传、拥塞都是常用的事，一言不合就可能送达不了，因而要从算法层面来保证可靠性

面试题：TCP和UDP的区别

一句话概括：TCP是面向连接的、UDP是无连接的。为此，它引出了极大不同：

• TCP是可靠的，UDP是不可靠的
• TCP是报文流、UDP是数据报
• TCP有网络拥塞控制算法，UDP是应用让它发它就发
• TCP有状态，UDP无状态

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