摘要：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議五步登天路，我們一路邁過了物理層鏈路層，今天終于到了傳輸層。沒有花花腸子大量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理邏輯包頭字段，秉承性善論，相信網(wǎng)絡(luò)通路很容易到達(dá)，不容易被丟棄輕信他人。我們之前認(rèn)識的就是基于協(xié)議的。

????網(wǎng)絡(luò)協(xié)議五步登天路，我們一路邁過了物理層、鏈路層，今天終于到了傳輸層。從這一層開始，很多知識應(yīng)該都是服務(wù)端開發(fā)必備的知識了，今天我們就一起來梳理下。

????其實(shí)，講到 UDP，就少不了 TCP。這倆貨簡直就是個(gè)“連體兄弟”，只要出現(xiàn)一個(gè)，另一個(gè)肯定就在不遠(yuǎn)處等著你。

????博主相信，絕大多數(shù)的服務(wù)端開發(fā)都碰到過“TCP 與 UDP 的區(qū)別”這樣的面試題，而在實(shí)際業(yè)務(wù)開發(fā)中，也會(huì)對比 TCP 與 UDP，選擇合適的協(xié)議進(jìn)行開發(fā)。

????所以，咱們還是老生常談，先來看看這倆兄弟的區(qū)別。

????相信很多人都知道，TCP 是面向連接的，UDP 是面向無連接的。

????那么，什么是面向連接，什么是面向無連接呢？

????在互通之前，面向連接的協(xié)議會(huì)先建立連接，再進(jìn)行通信。就像 TCP 會(huì)進(jìn)行三次握手，而 UDP 不會(huì)。

????那為什么會(huì)建立連接呢？TCP 進(jìn)行三次握手，UDP 就不能發(fā)三個(gè)數(shù)據(jù)包玩玩，有什么區(qū)別呢？

????其實(shí)這里所謂的建立連接，就是通過建立一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來維護(hù)客戶端和服務(wù)端交互的狀態(tài)，用這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保證所謂的面向連接的特性。

????上面這段話中，有一個(gè)很重要的詞-狀態(tài)。也就是說，TCP 實(shí)質(zhì)上是一個(gè)有狀態(tài)的服務(wù)。這個(gè)狀態(tài)，可以說是它和 UDP 的本質(zhì)區(qū)別。

????通俗點(diǎn)講，有狀態(tài)的 TCP 就是有腦子的，它會(huì)記住數(shù)據(jù)是否已經(jīng)精確發(fā)送了，發(fā)到哪里了，應(yīng)該接收哪個(gè)數(shù)據(jù)，不能容忍一點(diǎn)錯(cuò)誤。

????與之對應(yīng)的，UDP 就是沒腦子的，天真無邪，發(fā)出去的數(shù)據(jù)就發(fā)出去，不會(huì)考慮網(wǎng)絡(luò)世界的“惡意”。

TCP 既然有腦子，那肯定能做到很多 UDP 做不到的事情，例如：

提供可靠交付。通過 TCP 連接傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，無差錯(cuò)、不丟失、不重復(fù)，且按序到達(dá)。而 UDP 則是不保證不丟失，不保證按序到達(dá)。

面向字節(jié)流。TCP 發(fā)送的時(shí)候是一個(gè)流，沒有頭尾。而 UDP 是基于數(shù)據(jù)報(bào)，一個(gè)個(gè)發(fā)，一個(gè)個(gè)收；

可進(jìn)行擁塞控制。TCP 意識到包丟棄或者網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好的時(shí)候，會(huì)調(diào)整自己的行為，決定要發(fā)快點(diǎn)，還是發(fā)慢點(diǎn)。而 UDP 則是應(yīng)用讓我發(fā)，我就發(fā)，管它洪水滔天。。

????發(fā)送的 UDP 包到達(dá)目標(biāo)機(jī)器后，發(fā)現(xiàn) MAC 地址匹配，于是取下來，然后再交給 IP 層處理，發(fā)現(xiàn) IP 匹配，接下來呢？數(shù)據(jù)包給誰呢？

????發(fā)送的時(shí)候，接收機(jī)器怎么知道數(shù)據(jù)包是 UDP 的包呢？所以在 IP 頭里面有個(gè) 8 位協(xié)議，這里會(huì)存放，數(shù)據(jù)包究竟是 TCP 還是 UDP。

????處理完傳輸層的事情，內(nèi)核的事情基本上就干完了，里面的數(shù)據(jù)應(yīng)該交給應(yīng)用程序自己去處理?？墒牵慌_機(jī)器上跑著那么多的應(yīng)用程序，應(yīng)該給誰呢？

????無論應(yīng)用程序?qū)懙氖鞘褂?TCP 傳呼機(jī)，還是 UDP 傳數(shù)據(jù)，都要監(jiān)聽一個(gè)端口。正式這個(gè)端口，用來區(qū)分應(yīng)用程序。

????這樣，UDP 頭里面的內(nèi)容就都出來了，如下圖：

????當(dāng)我們看到 UDP 包頭的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)的確有端口號，有源端口號和目標(biāo)端口號。但是它除了端口號，就再?zèng)]有其他的，和 TCP 頭比起來，簡單的一塌糊涂。

上面提過，UDP 像個(gè)小孩子一樣，比較簡單，有以下特點(diǎn)：

溝通簡單。沒有花花腸子（大量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、處理邏輯、包頭字段），秉承“性善論”，相信網(wǎng)絡(luò)通路很容易到達(dá)，不容易被丟棄；

輕信他人。不會(huì)建立連接，只認(rèn)端口號，誰都可以給他傳數(shù)據(jù)，他也可以傳給任何人數(shù)據(jù)，甚至可以同時(shí)傳給多人數(shù)據(jù)；

愣頭青，做事不懂權(quán)變。不會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的請求進(jìn)行擁塞控制，不管網(wǎng)絡(luò)再差，它該怎么發(fā)還怎么發(fā)。

????正所謂“禍兮福所倚”，雖然 UDP 有著很多問題，但也可以在特定場景中發(fā)揮更好的作用。

????第一，需要資源少，在網(wǎng)絡(luò)情況比較好的內(nèi)網(wǎng)，或者對于丟包不敏感的應(yīng)用。這很好理解，就像你是領(lǐng)導(dǎo)，你會(huì)讓你們組剛畢業(yè)的小伙伴去做一些沒有那么難，或者是失敗了也能忍受的實(shí)驗(yàn)性項(xiàng)目。

我們之前認(rèn)識的 DHCP 就是基于 UDP 協(xié)議的。一般的獲取 IP 地址都是內(nèi)網(wǎng)請求，而且一次獲取不到 IP 也沒關(guān)系，過一會(huì)還可以請求獲取。

????第二，不需要建立連接，一對一溝通，而且需要廣播的應(yīng)用。 UDP 的不面向連接的功能，可以承載廣播或多播的協(xié)議。DHCP 就是一種廣播的形式。

對于多播，我們之前提到的 IP 地址中的 D 類地址，也就是組播地址。使用這個(gè)地址，可以將包組播給一批機(jī)器。當(dāng)一臺機(jī)器上的某個(gè)進(jìn)程想監(jiān)聽某個(gè)組播地址時(shí)，需要發(fā)送 IGMP 包，所在網(wǎng)絡(luò)的路由器收到這個(gè)包，知道有個(gè)機(jī)器有個(gè)進(jìn)程在監(jiān)聽這個(gè)組播地址。當(dāng)路由器收到這個(gè)組播地址的數(shù)據(jù)包時(shí)，就會(huì)將包轉(zhuǎn)發(fā)給這臺機(jī)器，這樣就實(shí)現(xiàn)了跨路由器的組播。

????第三，需要處理速度快、延時(shí)低、可以容忍少數(shù)丟包，但是要求即便網(wǎng)絡(luò)阻塞，也毫不退縮，一往無前的時(shí)候。

????UDP 簡單、處理速度快，不像 TCP 那樣操那么多的心。并且，TCP 在網(wǎng)絡(luò)不好出現(xiàn)丟包的時(shí)候，它的擁塞策略會(huì)主動(dòng)的降低發(fā)送速度，這就相當(dāng)于本來環(huán)境就差，還自斷臂膀，用戶本來就卡，這下更卡了。

????當(dāng)前很多應(yīng)用都是要求低時(shí)延的，他們可不想用 TCP 如此復(fù)雜的機(jī)制，而是想根據(jù)自己的場景，實(shí)現(xiàn)自己的可靠和連接保證。例如，如果應(yīng)用覺得，有的包丟了就丟了，沒必要重傳了，而有的比較重要的包丟了，則應(yīng)用自己重傳，不依賴 TCP。

????由于 UDP 十分簡單，基本啥都沒做，也就給了應(yīng)用“城會(huì)玩”的機(jī)會(huì)。就像在和平年代，每個(gè)人應(yīng)該有獨(dú)立的思考和行為，應(yīng)該可靠且禮讓。但是如果在戰(zhàn)爭年代，往往不太需要過于獨(dú)立的思考，而需要士兵簡單服從命令即可。

城會(huì)玩 一：網(wǎng)頁或 APP 的訪問

????網(wǎng)頁和手機(jī) APP 都是基于 HTTP 協(xié)議的，而HTTP 協(xié)議是基于 TCP 的，建立連接都需要多次交互，對于時(shí)延比較大的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)來講，建立一次連接需要的時(shí)間會(huì)比較長，而且移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)還是在移動(dòng)中，TCP 可能還會(huì)斷了重連，這也是很耗時(shí)的。

????除此之外，目前的 HTTP 協(xié)議，往往采取多個(gè)數(shù)據(jù)通道共享一個(gè)連接的情況這樣本來為了加快傳輸速度，但是 TCP 的嚴(yán)格順序策略使得哪怕共享通道，前一個(gè)不來，后一個(gè)和前一個(gè)即便沒關(guān)系，也要等著，時(shí)延也會(huì)加大。

????而 QUIC（Quik UDP Internet Connections，快速 UDP 互聯(lián)網(wǎng)連接）是 Google 提出的一種基于 UDP 改進(jìn)的通信協(xié)議，其目的是降低網(wǎng)絡(luò)通信的延遲，提供更好的用戶互動(dòng)體驗(yàn)。

????QUIC 在應(yīng)用層會(huì)自己實(shí)現(xiàn)快速連接建立、減少重傳時(shí)延，自適應(yīng)擁塞控制，是應(yīng)用層“城會(huì)玩”的代表。

“城會(huì)玩” 二：流媒體的協(xié)議

????直播協(xié)議多使用 RTMP，這個(gè)協(xié)議就是基于 UDP 的。TCP 的嚴(yán)格順序傳輸要保證前一個(gè)收到了，下一個(gè)才能確認(rèn)。對于直播來講，這顯然是不合適的，因?yàn)槔系囊曨l幀丟了就丟了，就算再傳過來用戶也不在意，他們要看新的了，如果一直沒來，用戶就會(huì)一直顯示卡頓，新的也看不了。所以，對于直播，實(shí)時(shí)性比較重要，寧可丟包，也不要卡頓的。

????另外，對于丟包，其實(shí)對于食品播放來講，有的包可以丟，有的包不能丟，因?yàn)橐曨l的連續(xù)幀里面，有的包重要，有的包不重要，如果必須要丟包，隔幾個(gè)幀丟一個(gè)，其實(shí)看視頻的人不會(huì)感知，但是如果連續(xù)丟幀，用戶就會(huì)有感知了。因此，在網(wǎng)絡(luò)不好的情況下，應(yīng)用希望選擇性的丟幀。

????還有就是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不好的時(shí)候，TCP 會(huì)主動(dòng)降低發(fā)送速度。這對本來就卡的看視頻來講是要命的，本來應(yīng)該馬上重傳，而不是主動(dòng)讓步。因此，很多直播應(yīng)用，都基于 UDP 實(shí)現(xiàn)了自己的視頻傳輸協(xié)議。

“城會(huì)玩” 三：實(shí)時(shí)游戲

????游戲有一個(gè)特點(diǎn)，就是實(shí)時(shí)性比較高?？煲幻肽愀傻魟e人，慢一秒就被別人爆頭，所以很多職業(yè)玩家會(huì)買非常專業(yè)的鼠標(biāo)和鍵盤，爭分奪秒。

????因而，實(shí)時(shí)游戲中客戶端和服務(wù)端要建立長連接，來保證實(shí)時(shí)傳輸，但是游戲玩家很多，服務(wù)器卻不多，由于維護(hù) TCP 連接需要在內(nèi)核維護(hù)一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因而一臺機(jī)器能夠支撐的 TCP 連接數(shù)量是有限的。而 UDP 由于是沒有連接的，在異步 IO 機(jī)制引入之前，常常是應(yīng)對海量客戶端連接的策略。

????另外還是 TCP 的強(qiáng)順序問題，對戰(zhàn)的游戲，對網(wǎng)絡(luò)的要求很簡單，玩家通過客戶端發(fā)送給服務(wù)器鼠標(biāo)和鍵盤行走的位置，服務(wù)器會(huì)處理每個(gè)用戶發(fā)送過來的所有廠家，處理完再返回給客戶端，客戶端解析響應(yīng)，渲染最新的場景展示給玩家。

????如果出現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)包丟失，所有事情都需要停下來等待這個(gè)數(shù)據(jù)包重發(fā)?？蛻舳藭?huì)出現(xiàn)等待接收數(shù)據(jù)，然而玩家并不關(guān)心過期的數(shù)據(jù)，相信大家玩CF 的時(shí)候，如果激戰(zhàn)中卡 1 秒，是不是就有拍鍵盤的沖動(dòng)？

????游戲?qū)?shí)時(shí)要求較為嚴(yán)格的情況下，采用自定義的 UDP 協(xié)議，自定義重傳策略，能夠把丟包產(chǎn)生的延遲降到最低，盡量減少網(wǎng)絡(luò)問題對游戲性能造成的影響。

“城會(huì)玩” 四：IoT物聯(lián)網(wǎng)

????一方面，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域終端資源少，很可能只是內(nèi)存非常小的嵌入式系統(tǒng)，而維護(hù) TCP 協(xié)議代價(jià)太大。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)對實(shí)時(shí)性要求也很高。Google 旗下的 Nest 建立 Thread Group，推出了物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議 Thread，就是基于 UDP 協(xié)議的。

“城會(huì)玩” 五：移動(dòng)通信領(lǐng)域

????在 4G 網(wǎng)絡(luò)里，移動(dòng)流量上網(wǎng)的數(shù)據(jù)協(xié)議 GTP-U 也是基于 UDP 的。因?yàn)橐苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較復(fù)雜，而 GTP 協(xié)議本身就包含復(fù)雜的手機(jī)上線下線的通信協(xié)議。

如果把 TCP 比作成熟的社會(huì)人，那么 UDP 就是頭腦簡單的小朋友。TCP 復(fù)雜，UDP 簡單；TCP 維護(hù)連接，UDP 誰都相信；TCP 會(huì)知進(jìn)退，UDP 愣頭青一個(gè)，勇往直前；

UDP 雖然簡單，但是它可以用在環(huán)境簡單、需要多播、應(yīng)用層自己控制傳輸?shù)牡胤?。例?DHCP、QUIC 等。

參考：

百度百科-UDP 詞條；

劉超-趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議系列課；