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快速理解TCP和UDP的差异

Java

前言

最头疼的问题莫过于到底该选TCP还是UDP作为传输层协议。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。

建立连接方式的差异 TCP

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):

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:

client端首先发送一个SYN包告诉Server端我的初始序列号是X;

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;

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;

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”。

UDP

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。

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

数据有序性的差异 TCP

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。

UDP

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。

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。

TCP

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。

UDP

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。

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。
文章来源:segmentfault,作者:石志远。如果您发现本社区中有涉嫌抄袭的内容,欢迎发送邮件至:william.shi#ucloud.cn(邮箱中#请改为@)进行举报,并提供相关证据,一经查实,本社区将立刻删除涉嫌侵权内容。
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TCP UDP 网络通讯 物联网

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