请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版

默认
发表评论 0
移动端IM/推送系统的协议选型:UDP还是TCP?

1、前言


UDP TCP2.png

对于有过网络编程经验的开发者来说,使用何种数据传输层协议来实现数据的通信,是个非常基础的问题,它涉及到你的第一行代码该如何编写。

从PC时代的IM开始,IM开发者就在为数据传输协议的选型争论不休(比如:《为什么QQ用的是UDP协议而不是TCP协议?》这样的问题,隔一段时间就能在社区里看到)。到了移动互联网时代,鉴于移动网络的不可靠性等特点,再加上手机的省电策略、流量压缩等,为这个问题的回答增了更多的不确定因素。

对于有选择困难证的人来说,基于以上因素,加上UDP和TCP协议的本质差异,这样的选择确实很纠结。本文将从作者的实践总结,给出自已的观点,如有异议还请理性回复,不为找喷,仅供参考。

(移动端即时通讯/IM 学习和讨论QQ群:http://www.52im.net/portal.php?mod=topic&topicid=2

2、参考资料


为什么QQ用的是UDP协议而不是TCP协议?
UDP中一个包的大小最大能多大
基于TCP协议的移动端IM仍然需要心跳保活机制
NAT详解:基本原理、穿越技术(P2P打洞)、端口老化等
计算机网络通讯协议关系图(中文珍藏版)
理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解
微信对网络影响的技术试验及分析(论文全文)

3、UDP vs TCP


TCP还是UDP?长连接如何实现?如何实现心跳机制?心跳的间隔如何确定?这些问题都是讨论移动端IM、消息推送等类似话题时,几乎一定被问到的问题。这里尝试正本清源一下。

4、互联网、移动互联网网络环境


在分析到底应该使用UDP还是TCP之前,有必要先讨论一下互联网与移动互联网的网络环境特点。

互联网的网络基础建设,经过十几年长期的发展,已经较为稳定和成熟,PC终端、操作系统的能力也达到了较高的水平。

而移动互联网,由于涉及到无线电话网络基站、2G、3G和4G技术的不断发展,其稳定性、带宽、资源分配等各方面虽日趋完善,但当前终究还有不少问题的存在。另外,由于移动互联网其“移动”的本质,加上智能终端设备(智能手机、平板电脑)的发展较晚,目前还在不断演变的情况,与互联网相比,移动互联网还是低速、不稳定、终端能力稍弱的情况。而且由于其“移动”本质,短时间内很难达到互联网的质量。

所以,在互联网的环境里面,网络应用程序由于网络设施、操作系统的成熟,开发使用起来比较容易,资源也较为充足。而移动互联网还是要“斤斤计较”。

5、智能终端电池续航能力,系统休眠


智能终端设备的电池续航能力始终是技术瓶颈。在连续使用的情况下,绝大部分智能设备电池无法支持两个小时以上。所以在没有外部电源的情况,智能终端设备必须频繁、长时间休眠,这将极大地影响两种网络环境下的网络应用场景。

6、IPv4资源、端口资源


这个话题往往被很多人忽略,但它有着至关重要的影响。虽然大部分人都很清楚IP地址的紧缺导致的动态IP分配的必然,却忽略了由于IP地址不足引起的端口资源不足。

由于需要动态分配IP地址(这里不仅仅指互联网入口的IP,还包括局域网内部的IP),路由器的工作原理都是经过端口映射,把内部网络(包括PC、手机、平板、Wifi、2G、3G、4G)IP与端口映射成外部IP(通常是公网IP)和对应的端口,并维持这个映射关系,才能正常地修改、转发报文信息,保证内部各个ip、端口与外部的各个ip、端口的通信。

然而,单个IP地址的端口资源是有限的,理论上限是65535个端口。对于普通宽带路由器来说,这个已经很充足了。但是!对于大型的网络服务、网络主干接入点等来说,如果IP资源不足,每个IP几万个端口的资源很快会耗尽,从而影响正常通讯。

7、端口映射老化时间


正因为如此,所有的路由器都会为每个端口映射关系设置老化时间,如果老化时间倒数到0,则端口映射关系失效,该端口被释放给其他连接使用。如果端口全部耗尽,则无法再新建内部与外部的网络连接。

端口映射老化时间,比很多人想象中的要短很多。一般的家用宽带路由器,老化时间一般是两三分钟;在有线宽带运营商接入部分,老化时间可能少于两分钟。在无线电话网络运营商接入部分(例如GPRS连接),老化时间甚至不超过一分钟!

也就是说,任何一个网络通讯(不管是TCP或UDP),如果几分钟之内没有网络报文传输,其占用的IP地址端口将被路由器回收。这个时候该次通信必将终止,不管TCP还是UDP,神马都是浮云。

更残酷的事实是,互联网可认为是由无数个路由器连接而成的,一个网络通信往往需要通过n个路由器,每个路由器都会为一次通信建立自己的端口映射。只要其中一个路由器回收其端口,则整个通讯中断。

这也是很多人疑惑为什么TCP的KeepAlive参数无法保证长连接的原因。TCP的KeepAlive默认是两个小时(而且该参数还是TCP的可选实现,不是必然实现),在路由器端口映射老化时间的影响下,必然无法发挥其作用。实际上,该参数在单一的局域网内才可能被使用上,还要依赖具体的操作系统。

由于路由器端口映射的存在,加上智能终端频繁、长时间的休眠,TCP长连接的实用性在移动互联网情况下极大地打了折扣。

也因为如此,移动端IM、推送系统必须实现所谓的心跳包机制,以保持端口映射关系的老化时间不会减少到0而被回收,从而避免连接中断。

8、服务端承载能力


不管是UDP还是TCP,最终都是应用服务端的设备去提供服务的。而TCP由于提供了安全可靠的流服务,其对计算机、网络资源的消耗是远远大于UDP协议的。对于配置较好的主流服务器,配备大量的内存(数十G至上百G内存),与高速的磁盘、网卡,是能同时支持数百万个TCP连接的。不过这里需要较专业的服务器设置,需要调整不少系统参数,再加上服务程序的配合。另外,TCP连接的建立、维持与释放,都是需要较昂贵的计算、网络资源的。

终端在线服务,若是一个较为简单的服务,未必使用上TCP众多的高级功能,但承受TCP的昂贵成本,未必值得。如果能用UDP来提供服务,单服务器的承载能力,是可以去到TCP服务的数十倍,甚至上百倍的增长。这也是为什么DNS这种并发数巨大的服务器提供UDP接口的原因。

另外,上百万TCP连接的网络服务,其编程的难度、程序复杂度、调试难度、服务器运维成本、网络成本等都远远高于UDP。

而UDP编程,与上百万个终端通讯的难度与成本则低很多。如果提供的网络服务不是基于流的服务,也允许一定的失败机率(例如P2P),则UDP往往是更适合的方式。

9、高级应用网络通讯要求


不过,移动端IM系统、推送系统一方面提供终端在线服务,另外一方面也需要考虑内容信息的完整性和安全性。毕竟信息的丢失,或者通讯的被窃听,都是难以接受的。而TCP不管在网络层的可靠性控制,还是在应用层的安全支持(例如HTTPS),都为应用提供无法替代的强大功能和便利。

10、结论


综合以上所述,其实答案也呼之欲出。

现在的移动端IM、推送系统,既面对移动互联网的不确定性,又面对智能终端频繁的系统休眠、网络切换,还要考虑服务端的承载成本,对于在线服务而言UDP是比TCP更适合的方式。但是由于数据完整性、安全性的需要,又不应完全放弃TCP的可靠与安全。

所以,个人认为,更恰当的方式应该是:两种通信协议同时使用,各有侧重。UDP用于保持大量终端的在线与控制,应用与业务则通过TCP去实现。这个和FTP服务控制与数据分离,采取不同的连接,有异曲同工之处。

事实上,这个也是即时通讯巨头QQ所采用的方式。早期的时候,QQ还是主要使用TCP协议,而后来就转向了采用UDP的方式来保持在线,TCP的方式来上传和下载数据。现在,UDP是QQ的默认工作方式,表现良好。相信这个也被沿用到了微信上。

简单的考证:登录PC版QQ,关闭多余的QQ窗口只留下主窗口,并将其最小化。几分钟过后,查看系统网络连接,会发现QQ进程已不保有任何TCP连接,但有UDP网络活动。这时在发送聊天信息,或者打开其他窗口和功能,将发现QQ进程会启用TCP连接。

附录:全站即时通讯技术资料分类


[1] 网络编程基础资料:
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
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
计算机网络通讯协议关系图(中文珍藏版)
NAT详解:基本原理、穿越技术(P2P打洞)、端口老化等
UDP中一个包的大小最大能多大?
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(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
>> 更多同类文章 ……

[2] 有关IM/推送的通信格式、协议的选择:
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?
如何选择即时通讯应用的数据传输格式
强列建议将Protobuf作为你的即时通讯应用数据传输格式
移动端IM开发需要面对的技术问题(含通信协议选择)
简述移动端IM开发的那些坑:架构设计、通信协议和客户端
理论联系实际:一套典型的IM通信协议设计详解
58到家实时消息系统的协议设计等技术实践分享
>> 更多同类文章 ……

[3] 有关IM/推送的心跳保活处理:
Android进程保活详解:一篇文章解决你的所有疑问
Android端消息推送总结:实现原理、心跳保活、遇到的问题等
为何基于TCP协议的移动端IM仍然需要心跳保活机制?
微信团队原创分享:Android版微信后台保活实战分享(进程保活篇)
微信团队原创分享:Android版微信后台保活实战分享(网络保活篇)
移动端IM实践:实现Android版微信的智能心跳机制
移动端IM实践:WhatsApp、Line、微信的心跳策略分析
>> 更多同类文章 ……

[4] 有关WEB端即时通讯开发:
新手入门贴:史上最全Web端即时通讯技术原理详解
Web端即时通讯技术盘点:短轮询、Comet、Websocket、SSE
SSE技术详解:一种全新的HTML5服务器推送事件技术
Comet技术详解:基于HTTP长连接的Web端实时通信技术
WebSocket详解(一):初步认识WebSocket技术
socket.io实现消息推送的一点实践及思路
>> 更多同类文章 ……

[5] 有关IM架构设计:
浅谈IM系统的架构设计
简述移动端IM开发的那些坑:架构设计、通信协议和客户端
一套原创分布式即时通讯(IM)系统理论架构方案
从零到卓越:京东客服即时通讯系统的技术架构演进历程
蘑菇街即时通讯/IM服务器开发之架构选择
腾讯QQ1.4亿在线用户的技术挑战和架构演进之路PPT
微信技术总监谈架构:微信之道——大道至简(演讲全文)
如何解读《微信技术总监谈架构:微信之道——大道至简》
快速裂变:见证微信强大后台架构从0到1的演进历程(一)
17年的实践:腾讯海量产品的技术方法论
>> 更多同类文章 ……

[6] 有关IM安全的文章:
即时通讯安全篇(一):正确地理解和使用Android端加密算法
即时通讯安全篇(二):探讨组合加密算法在IM中的应用
即时通讯安全篇(三):常用加解密算法与通讯安全讲解
即时通讯安全篇(四):实例分析Android中密钥硬编码的风险
传输层安全协议SSL/TLS的Java平台实现简介和Demo演示
理论联系实际:一套典型的IM通信协议设计详解(含安全层设计)
微信新一代通信安全解决方案:基于TLS1.3的MMTLS详解
来自阿里OpenIM:打造安全可靠即时通讯服务的技术实践分享
>> 更多同类文章 ……

[7] 有关实时音视频开发:
即时通讯音视频开发(一):视频编解码之理论概述
即时通讯音视频开发(二):视频编解码之数字视频介绍
即时通讯音视频开发(三):视频编解码之编码基础
即时通讯音视频开发(四):视频编解码之预测技术介绍
即时通讯音视频开发(五):认识主流视频编码技术H.264
即时通讯音视频开发(六):如何开始音频编解码技术的学习
即时通讯音视频开发(七):音频基础及编码原理入门
即时通讯音视频开发(八):常见的实时语音通讯编码标准
即时通讯音视频开发(九):实时语音通讯的回音及回音消除概述
即时通讯音视频开发(十):实时语音通讯的回音消除技术详解
即时通讯音视频开发(十一):实时语音通讯丢包补偿技术详解
即时通讯音视频开发(十二):多人实时音视频聊天架构探讨
即时通讯音视频开发(十三):实时视频编码H.264的特点与优势
即时通讯音视频开发(十四):实时音视频数据传输协议介绍
即时通讯音视频开发(十五):聊聊P2P与实时音视频的应用情况
即时通讯音视频开发(十六):移动端实时音视频开发的几个建议
即时通讯音视频开发(十七):视频编码H.264、V8的前世今生
简述开源实时音视频技术WebRTC的优缺点
良心分享:WebRTC 零基础开发者教程(中文)
>> 更多同类文章 ……

[8] IM开发综合文章:
移动端IM开发需要面对的技术问题
开发IM是自己设计协议用字节流好还是字符流好?
请问有人知道语音留言聊天的主流实现方式吗?
IM系统中如何保证消息的可靠投递(即QoS机制)
谈谈移动端 IM 开发中登录请求的优化
完全自已开发的IM该如何设计“失败重试”机制?
微信对网络影响的技术试验及分析(论文全文)
即时通讯系统的原理、技术和应用(技术论文)
开源IM工程“蘑菇街TeamTalk”的现状:一场有始无终的开源秀
>> 更多同类文章 ……

[9] 开源移动端IM技术框架资料:
开源移动端IM技术框架MobileIMSDK:快速入门
开源移动端IM技术框架MobileIMSDK:常见问题解答
开源移动端IM技术框架MobileIMSDK:压力测试报告
>> 更多同类文章 ……

[10] 有关推送技术的文章:
iOS的推送服务APNs详解:设计思路、技术原理及缺陷等
Android端消息推送总结:实现原理、心跳保活、遇到的问题等
扫盲贴:认识MQTT通信协议
一个基于MQTT通信协议的完整Android推送Demo
求教android消息推送:GCM、XMPP、MQTT三种方案的优劣
移动端实时消息推送技术浅析
扫盲贴:浅谈iOS和Android后台实时消息推送的原理和区别
绝对干货:基于Netty实现海量接入的推送服务技术要点
移动端IM实践:谷歌消息推送服务(GCM)研究(来自微信)
为何微信、QQ这样的IM工具不使用GCM服务推送消息?
>> 更多同类文章 ……

[11] 更多即时通讯技术好文分类:
http://www.52im.net/forum.php?mod=collection&op=all

(原文链接:http://www.ddpush.net/udp-vs-tcp

即时通讯网 - 即时通讯开发者社区! 来源: - 即时通讯开发者社区!

上一篇:蘑菇街即时通讯/IM服务器开发之架构选择下一篇:移动端IM实践:实现Android版微信的智能心跳机制

本帖已收录至以下技术专辑

Processed in 0.328125 second(s), 41 queries , Gzip On.

返回顶部