摘要：網絡協議五步登天路，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據結構處理邏輯包頭字段，秉承性善論，相信網絡通路很容易到達，不容易被丟棄輕信他人。我們之前認識的就是基于協議的。

????網絡協議五步登天路，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，很多知識應該都是服務端開發必備的知識了，今天我們就一起來梳理下。

????其實，講到 UDP，就少不了 TCP。這倆貨簡直就是個“連體兄弟”，只要出現一個，另一個肯定就在不遠處等著你。

????博主相信，絕大多數的服務端開發都碰到過“TCP 與 UDP 的區別”這樣的面試題，而在實際業務開發中，也會對比 TCP 與 UDP，選擇合適的協議進行開發。

????所以，咱們還是老生常談，先來看看這倆兄弟的區別。

????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，面向連接的協議會先建立連接，再進行通信。就像 TCP 會進行三次握手，而 UDP 不會。

????那為什么會建立連接呢？TCP 進行三次握手，UDP 就不能發三個數據包玩玩，有什么區別呢？

????其實這里所謂的建立連接，就是通過建立一定的數據結構來維護客戶端和服務端交互的狀態，用這樣的數據結構來保證所謂的面向連接的特性。

????上面這段話中，有一個很重要的詞-狀態。也就是說，TCP 實質上是一個有狀態的服務。這個狀態，可以說是它和 UDP 的本質區別。

????通俗點講，有狀態的 TCP 就是有腦子的，它會記住數據是否已經精確發送了，發到哪里了，應該接收哪個數據，不能容忍一點錯誤。

????與之對應的，UDP 就是沒腦子的，天真無邪，發出去的數據就發出去，不會考慮網絡世界的“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 連接傳輸的數據，無差錯、不丟失、不重復，且按序到達。而 UDP 則是不保證不丟失，不保證按序到達。

面向字節流。TCP 發送的時候是一個流，沒有頭尾。而 UDP 是基于數據報，一個個發，一個個收；

可進行擁塞控制。TCP 意識到包丟棄或者網絡環境不好的時候，會調整自己的行為，決定要發快點，還是發慢點。而 UDP 則是應用讓我發，我就發，管它洪水滔天。。

????發送的 UDP 包到達目標機器后，發現 MAC 地址匹配，于是取下來，然后再交給 IP 層處理，發現 IP 匹配，接下來呢？數據包給誰呢？

????發送的時候，接收機器怎么知道數據包是 UDP 的包呢？所以在 IP 頭里面有個 8 位協議，這里會存放，數據包究竟是 TCP 還是 UDP。

????處理完傳輸層的事情，內核的事情基本上就干完了，里面的數據應該交給應用程序自己去處理。可是，一臺機器上跑著那么多的應用程序，應該給誰呢？

????無論應用程序寫的是使用 TCP 傳呼機，還是 UDP 傳數據，都要監聽一個端口。正式這個端口，用來區分應用程序。

????這樣，UDP 頭里面的內容就都出來了，如下圖：

????當我們看到 UDP 包頭的時候，發現的確有端口號，有源端口號和目標端口號。但是它除了端口號，就再沒有其他的，和 TCP 頭比起來，簡單的一塌糊涂。

上面提過，UDP 像個小孩子一樣，比較簡單，有以下特點：

溝通簡單。沒有花花腸子（大量的數據結構、處理邏輯、包頭字段），秉承“性善論”，相信網絡通路很容易到達，不容易被丟棄；

輕信他人。不會建立連接，只認端口號，誰都可以給他傳數據，他也可以傳給任何人數據，甚至可以同時傳給多人數據；

愣頭青，做事不懂權變。不會根據網絡的請求進行擁塞控制，不管網絡再差，它該怎么發還怎么發。

????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揮更好的作用。

????第一，需要資源少，在網絡情況比較好的內網，或者對于丟包不敏感的應用。這很好理解，就像你是領導，你會讓你們組剛畢業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驗性項目。

我們之前認識的 DHCP 就是基于 UDP 協議的。一般的獲取 IP 地址都是內網請求，而且一次獲取不到 IP 也沒關系，過一會還可以請求獲取。

????第二，不需要建立連接，一對一溝通，而且需要廣播的應用。 UDP 的不面向連接的功能，可以承載廣播或多播的協議。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。使用這個地址，可以將包組播給一批機器。當一臺機器上的某個進程想監聽某個組播地址時，需要發送 IGMP 包，所在網絡的路由器收到這個包，知道有個機器有個進程在監聽這個組播地址。當路由器收到這個組播地址的數據包時，就會將包轉發給這臺機器，這樣就實現了跨路由器的組播。

????第三，需要處理速度快、延時低、可以容忍少數丟包，但是要求即便網絡阻塞，也毫不退縮，一往無前的時候。

????UDP 簡單、處理速度快，不像 TCP 那樣操那么多的心。并且，TCP 在網絡不好出現丟包的時候，它的擁塞策略會主動的降低發送速度，這就相當于本來環境就差，還自斷臂膀，用戶本來就卡，這下更卡了。

????當前很多應用都是要求低時延的，他們可不想用 TCP 如此復雜的機制，而是想根據自己的場景，實現自己的可靠和連接保證。例如，如果應用覺得，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，也就給了應用“城會玩”的機會。就像在和平年代，每個人應該有獨立的思考和行為，應該可靠且禮讓。但是如果在戰爭年代，往往不太需要過于獨立的思考，而需要士兵簡單服從命令即可。

城會玩 一：網頁或 APP 的訪問

????網頁和手機 APP 都是基于 HTTP 協議的，而HTTP 協議是基于 TCP 的，建立連接都需要多次交互，對于時延比較大的移動互聯網來講，建立一次連接需要的時間會比較長，而且移動互聯網還是在移動中，TCP 可能還會斷了重連，這也是很耗時的。

????除此之外，目前的 HTTP 協議，往往采取多個數據通道共享一個連接的情況這樣本來為了加快傳輸速度，但是 TCP 的嚴格順序策略使得哪怕共享通道，前一個不來，后一個和前一個即便沒關系，也要等著，時延也會加大。

????而 QUIC（Quik UDP Internet Connections，快速 UDP 互聯網連接）是 Google 提出的一種基于 UDP 改進的通信協議，其目的是降低網絡通信的延遲，提供更好的用戶互動體驗。

????QUIC 在應用層會自己實現快速連接建立、減少重傳時延，自適應擁塞控制，是應用層“城會玩”的代表。

“城會玩” 二：流媒體的協議

????直播協議多使用 RTMP，這個協議就是基于 UDP 的。TCP 的嚴格順序傳輸要保證前一個收到了，下一個才能確認。對于直播來講，這顯然是不合適的，因為老的視頻幀丟了就丟了，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，用戶就會一直顯示卡頓，新的也看不了。所以，對于直播，實時性比較重要，寧可丟包，也不要卡頓的。

????另外，對于丟包，其實對于食品播放來講，有的包可以丟，有的包不能丟，因為視頻的連續幀里面，有的包重要，有的包不重要，如果必須要丟包，隔幾個幀丟一個，其實看視頻的人不會感知，但是如果連續丟幀，用戶就會有感知了。因此，在網絡不好的情況下，應用希望選擇性的丟幀。

????還有就是，當網絡不好的時候，TCP 會主動降低發送速度。這對本來就卡的看視頻來講是要命的，本來應該馬上重傳，而不是主動讓步。因此，很多直播應用，都基于 UDP 實現了自己的視頻傳輸協議。

“城會玩” 三：實時游戲

????游戲有一個特點，就是實時性比較高。快一秒你干掉別人，慢一秒就被別人爆頭，所以很多職業玩家會買非常專業的鼠標和鍵盤，爭分奪秒。

????因而，實時游戲中客戶端和服務端要建立長連接，來保證實時傳輸，但是游戲玩家很多，服務器卻不多，由于維護 TCP 連接需要在內核維護一些數據結構，因而一臺機器能夠支撐的 TCP 連接數量是有限的。而 UDP 由于是沒有連接的，在異步 IO 機制引入之前，常常是應對海量客戶端連接的策略。

????另外還是 TCP 的強順序問題，對戰的游戲，對網絡的要求很簡單，玩家通過客戶端發送給服務器鼠標和鍵盤行走的位置，服務器會處理每個用戶發送過來的所有廠家，處理完再返回給客戶端，客戶端解析響應，渲染最新的場景展示給玩家。

????如果出現一個數據包丟失，所有事情都需要停下來等待這個數據包重發。客戶端會出現等待接收數據，然而玩家并不關心過期的數據，相信大家玩CF 的時候，如果激戰中卡 1 秒，是不是就有拍鍵盤的沖動？

????游戲對實時要求較為嚴格的情況下，采用自定義的 UDP 協議，自定義重傳策略，能夠把丟包產生的延遲降到最低，盡量減少網絡問題對游戲性能造成的影響。

“城會玩” 四：IoT物聯網

????一方面，物聯網領域終端資源少，很可能只是內存非常小的嵌入式系統，而維護 TCP 協議代價太大。另一方面，物聯網對實時性要求也很高。Google 旗下的 Nest 建立 Thread Group，推出了物聯網通信協議 Thread，就是基于 UDP 協議的。

“城會玩” 五：移動通信領域

????在 4G 網絡里，移動流量上網的數據協議 GTP-U 也是基于 UDP 的。因為移動網絡協議比較復雜，而 GTP 協議本身就包含復雜的手機上線下線的通信協議。

如果把 TCP 比作成熟的社會人，那么 UDP 就是頭腦簡單的小朋友。TCP 復雜，UDP 簡單；TCP 維護連接，UDP 誰都相信；TCP 會知進退，UDP 愣頭青一個，勇往直前；

UDP 雖然簡單，但是它可以用在環境簡單、需要多播、應用層自己控制傳輸的地方。例如 DHCP、QUIC 等。

參考：

百度百科-UDP 詞條；

劉超-趣談網絡協議系列課；