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网络编程懒人入门(四):快速理解TCP和UDP的差异

原作者:MeloDev,本文由即时通讯网重新修订发布,感谢原作者的无私分享。


1、前言


对于即时通讯开者新手来说,在开始着手编写IM或消息推送系统的代码前,最头疼的问题莫过于到底该选TCP还是UDP作为传输层协议。本文延续《网络编程懒人入门》系列文章的风格,通过快速对比分析 TCP 和 UDP 的区别,来帮助即时通讯初学者快速了解这些基础的知识点,从而在IM、消息推送等网络通信应用场景中能准确地选择合适的传输层协议。

即时通讯网的另一篇文章《简述传输层协议TCP和UDP的区别》也阐述了类似的内容,希望能为您提供更多的参考。

2、系列文章


本文是系列文章中的第4篇,本系列文章的大纲如下:


3、参考资料


TCP/IP详解 - 第11章·UDP:用户数据报协议
TCP/IP详解 - 第17章·TCP:传输控制协议
TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止
TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传
通俗易懂-深入理解TCP协议(上):理论基础
通俗易懂-深入理解TCP协议(下):RTT、滑动窗口、拥塞处理
理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解
理论联系实际:Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程
技术往事:改变世界的TCP/IP协议(珍贵多图、手机慎点)
计算机网络通讯协议关系图(中文珍藏版)
高性能网络编程(一):单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少
高性能网络编程(二):上一个10年,著名的C10K并发连接问题
高性能网络编程(三):下一个10年,是时候考虑C10M并发问题了
高性能网络编程(四):从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索
不为人知的网络编程(一):浅析TCP协议中的疑难杂症(上篇)
不为人知的网络编程(二):浅析TCP协议中的疑难杂症(下篇)
不为人知的网络编程(三):关闭TCP连接时为什么会TIME_WAIT、CLOSE_WAIT
不为人知的网络编程(四):深入研究分析TCP的异常关闭
不为人知的网络编程(五):UDP的连接性和负载均衡
不为人知的网络编程(六):深入地理解UDP协议并用好它
简述传输层协议TCP和UDP的区别
UDP中一个包的大小最大能多大?
为什么QQ用的是UDP协议而不是TCP协议?
移动端即时通讯协议选择:UDP还是TCP?

4、建立连接方式的差异


4.1TCP


说到 TCP 建立连接,相信大多数人脑海里肯定可以浮现出一个词,没错就是--“三次握手”。TCP 通过“三次握手”来建立连接,再通过“四次挥手”断开一个连接。在每次挥手中 TCP 做了哪些操作呢?

流程如下图所示(TCP的三次握手和四次挥手):
1915184-43e91a9185faa031.jpg

上图就从客户端和服务端的角度,清楚的展示了 TCP 的三次握手和四次挥手。可以看到,当 TCP 试图建立连接时,三次握手指的是客户端主动触发了两次,服务端触发了一次。

我们可以先明确一下 TCP 建立连接并且初始化的目标是什么呢?

  • 1)初始化资源;
  • 2)告诉对方我的序列号。

所以三次握手的次序是这样子的:

  • 1)client端首先发送一个SYN包告诉Server端我的初始序列号是X;
  • 2)Server端收到SYN包后回复给client一个ACK确认包,告诉client说我收到了;
  • 3)接着Server端也需要告诉client端自己的初始序列号,于是Server也发送一个SYN包告诉client我的初始序列号是Y;
  • 4)Client收到后,回复Server一个ACK确认包说我知道了。

其中的 2 、3 步骤可以简化为一步,也就是说将 ACK 确认包和 SYN 序列化包一同发送给 Client 端。到此我们就比较简单的解释了 TCP 建立连接的“三次握手”。

4.2UDP


我们都知道 TCP 是面向连接的、可靠的、有序的传输层协议,而 UDP 是面向数据报的、不可靠的、无序的传输协议,所以 UDP 压根不会建立什么连接。

就好比发短信一样,UDP 只需要知道对方的 ip 地址,将数据报一份一份的发送过去就可以了,其他的作为发送方,都不需要关心。

(关于TCP的3次握手和4次挥手文章,可详见《理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》、《理论联系实际:Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》)

5、数据发送方式的差异


关于 TCP、UDP 之间数据发送的差异,可以体现二者最大的不同之处:

  • TCP:
    由于 TCP 是建立在两端连接之上的协议,所以理论上发送的数据流不存在大小的限制。但是由于缓冲区有大小限制,所以你如果用 TCP 发送一段很大的数据,可能会截断成好几段,接收方依次的接收。
  • UDP:
    由于 UDP 本身发送的就是一份一份的数据报,所以自然而然的就有一个上限的大小。

那么每次 UDP 发送的数据报大小由哪些因素共同决定呢?

  • UDP协议本身,UDP协议中有16位的UDP报文长度,那么UDP报文长度不能超过2^16=65536;
  • 以太网(Ethernet)数据帧的长度,数据链路层的MTU(最大传输单元);
  • socket的UDP发送缓存区大小。

先来看第一个因素,UDP 本身协议的报文长度为 2^16 - 1,UDP 包头占 8 个字节,IP 协议本身封装后包头占 20 个字节,所以最终长度为: 2^16 - 1 - 20 - 8 = 65507 字节。

只看第一个因素有点理想化了,因为 UDP 属于不可靠协议,我们应该尽量避免在传输过程中,数据包被分割。所以这里有一个非常重要的概念 MTU -- 也就是最大传输单元。

在 Internet 下 MTU 的值为 576 字节,所以在 internet 下使用 UDP 协议,每个数据报最大的字节数为: 576 - 20 - 8 = 548

(有关UDP协议的最大包长限制,详见《UDP中一个包的大小最大能多大?》)

6、数据有序性的差异


我们再来谈谈数据的有序性。

6.1TCP


对于 TCP 来说,本身 TCP 有着超时重传、错误重传、还有等等一系列复杂的算法保证了 TCP 的数据是有序的,假设你发送了数据 1、2、3,则只要发送端和接收端保持连接时,接收端收到的数据始终都是 1、2、3。

6.2UDP


而 UDP 协议则要奔放的多,无论 server 端无论缓冲池的大小有多大,接收 client 端发来的消息总是一个一个的接收。并且由于 UDP 本身的不可靠性以及无序性,如果 client 发送了 1、2、3 这三个数据报过来,server 端接收到的可能是任意顺序、任意个数三个数据报的排列组合。

7、可靠性的差异


其实大家都知道 TCP 本身是可靠的协议,而 UDP 是不可靠的协议。

7.1TCP


TCP 内部的很多算法机制让他保持连接的过程中是很可靠的。比如:TCP 的超时重传、错误重传、TCP 的流量控制、阻塞控制、慢热启动算法、拥塞避免算法、快速恢复算法 等等。所以 TCP 是一个内部原理复杂,但是使用起来比较简单的这么一个协议。

7.2UDP


UDP 是一个面向非连接的协议,UDP 发送的每个数据报带有自己的 IP 地址和接收方的 IP 地址,它本身对这个数据报是否出错,是否到达不关心,只要发出去了就好了。

所以来研究下,什么情况会导致 UDP 丢包:

  • 数据报分片重组丢失:在文章之前我们就说过,UDP 的每个数据报大小多少最合适,事实上 UDP 协议本身规定的大小是 64kb,但是在数据链路层有 MTU 的限制,大小大概在 5kb,所以当你发送一个很大的 UDP 包的时候,这个包会在 IP 层进行分片,然后重组。这个过程就有可能导致分片的包丢失。UDP 本身有 CRC 检测机制,会抛弃掉丢失的 UDP 包;
  • UDP 缓冲区填满:当 UDP 的缓冲区已经被填满的时候,接收方还没有处理这部分的 UDP 数据报,这个时候再过来的数据报就没有地方可以存了,自然就都被丢弃了。

8、使用场景总结


在文章最后的一部分,聊聊 TCP、UDP 使用场景。

先来说 UDP 的吧,有很多人都会觉得 UDP 与 TCP 相比,在性能速度上是占优势的。因为 UDP 并不用保持一个持续的连接,也不需要对收发包进行确认。但事实上经过这么多年的发展 TCP 已经拥有足够多的算法和优化,在网络状态不错的情况下,TCP 的整体性能是优于 UDP 的。

那在什么时候我们非用 UDP 不可呢?

  • 对实时性要求高:比如实时会议,实时视频这种情况下,如果使用 TCP,当网络不好发生重传时,画面肯定会有延时,甚至越堆越多。如果使用 UDP 的话,即使偶尔丢了几个包,但是也不会影响什么,这种情况下使用 UDP 比较好;
  • 多点通信:TCP 需要保持一个长连接,那么在涉及多点通讯的时候,肯定需要和多个通信节点建立其双向连接,然后有时在NAT环境下,两个通信节点建立其直接的 TCP 连接不是一个容易的事情,而 UDP 可以无需保持连接,直接发就可以了,所以成本会很低,而且穿透性好。这种情况下使用 UDP 也是没错的。

以上我们说了 UDP 的使用场景,在此之外的其他情况,使用 TCP 准没错。

毕竟有一句话嘛:

when in doubt,use TCP。


(原文链接:点此进入,有改动)

附录:更多网络编程资料


Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍
NIO框架入门(一):服务端基于Netty4的UDP双向通信Demo演示
NIO框架入门(二):服务端基于MINA2的UDP双向通信Demo演示
NIO框架入门(三):iOS与MINA2、Netty4的跨平台UDP双向通信实战
NIO框架入门(四):Android与MINA2、Netty4的跨平台UDP双向通信实战
P2P技术详解(一):NAT详解——详细原理、P2P简介
P2P技术详解(二):P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解
P2P技术详解(三):P2P技术之STUN、TURN、ICE详解
通俗易懂:快速理解P2P技术中的NAT穿透原理
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评论 2
好贴,通俗易懂
签名: 天气变冷了!
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