#2021年底大盘点#UDP 和 TCP 比较

Posted 2021-12-29 西鼠

1、可靠性

首先我们比较一下这两个协议在可靠性（Reliablility）上的区别。如果一个网络协议是可靠的，那么它能够保证数据被无损地传送到目的地。当应用的设计者选择一个具有可靠性的协议时，通常意味着这个应用不能容忍数据在传输过程中被损坏。

比如说一个视频直播服务，如果在传输过程当中，视频图像发生了一定的损坏，用户看到的只是某几个像素、颜色不准确了，或者某几帧视频丢失了——这对用户来说是可以容忍的。但在观看视频的时候，用户最怕的不是实时数据发生一定的损坏，而是吞吐量得不到保证。比如视频看到一半卡住了，要等很久，或者丢失了一大段视频数据，导致错过精彩的内容。

TCP 协议，是一个支持可靠性的协议。UDP 协议，是一个不支持可靠性的协议。接下来我们讨论几个常见实现可靠性的手段。

1）校验和（Checksum）

首先我们来说说校验和。这是一种非常常见的可靠性检查手段。

尽管 UDP 不支持可靠性，但是像校验和（Checksum）这一类最基本的数据校验，它还是支持的。不支持可靠性，并不意味着完全放弃可靠性。TCP 和 UDP 都支持最基本的校验和算法。

下面我为你举例一种最简单的校验和算法：纵向冗余检查。伪代码如下：

byte c = 0;

for(byte x in bytes) 

  c = c xor x;

​​xor​​是异或运算。上面的程序在计算字节数组 bytes 的校验和。​​c​​是最终的结果。你可以看到将所有​​bytes​​两两异或，最终的结果就是校验和。假设我们要传输 bytes，如果在传输过程中​​bytes​​发生了变化，校验和有很大概率也会跟着变化。当然也可能存在​​bytes​​发生变化，校验和没有变化的特例，不过校验和可以很大程度上帮助我们识别数据是否损坏了。

当要传输数据的时候，数据会被分片，我们把每个分片看作一个字节数组。然后在分片中，预留几个字节去存储校验和。校验和随着数据分片一起传输到目的地，目的地会用同样的算法再次计算校验和。如果二者校验和不一致，代表中途数据发生了损坏。

总结：对于 TCP 和 UDP，都实现了校验和算法，但二者的区别是，TCP 如果发现校验核对不上，也就是数据损坏，会主动丢失这个封包并且重发。而 UDP 什么都不会处理，UDP 把处理的权利交给使用它的程序员。

2）请求/应答/连接模型

另一种保证可靠性的方法是请求响应和连接的模型。TCP 实现了请求、响应和连接的模型，UDP 没有实现这个模型。

在通信当中，我们可以把通信双方抽象成两个人用电话通信一样，需要先建立联系（保持连接）。发起会话的人是发送请求，对方需要应答（或者称为响应）。会话双方保持一个连接，直到双方说再见。

在 TCP 协议当中，任何一方向另一方发送信息，另一方都需要给予一个应答。如果发送方在一定的时间内没有获得应答，发送方就会认为自己的信息没有到达目的地，中途发生了损坏或者丢失等，因此发送方会选择重发这条消息。

这样一个模式也造成了 TCP 协议的三次握手和四次挥手，下面我们一起来具体分析一下。

（1） TCP 的三次握手

在 TCP 协议当中。我们假设 Alice 和 Bob 是两个通信进程。当 Alice 想要和 Bob 建立连接的时候，Alice 需要发送一个请求建立连接的消息给 Bob。这种请求建立连接的消息在 TCP 协议中称为同步（Synchronization， SYN）。而 Bob 收到 SYN，必须马上给 Alice 一个响应。这个响应在 TCP 协议当中称为响应（Acknowledgement，ACK）。请你务必记住这两个单词。不仅是 TCP 在用，其他协议也会复用这样的概念，来描述相同的事情。

当 Alice 给 Bob SYN，Bob 给 Alice ACK，这个时候，对 Alice 而言，连接就建立成功了。但是 TCP 是一个双工协议。所谓双工协议，代表数据可以双向传送。虽然对 Alice 而言，连接建立成功了。但是对 Bob 而言，连接还没有建立。为什么这么说呢？你可以这样思考，如果这个时候，Bob 马上给 Alice 发送信息，信息可能先于 Bob 的 ACK 到达 Alice，但这个时候 Alice 还不知道连接建立成功。 所以解决的办法就是 Bob 再给 Alice 发一次 SYN ，Alice 再给 Bob 一个 ACK。以上就是 TCP 的三次握手内容。

你可能会问，这明明是四次握手，哪里是三次握手呢？这是因为，Bob 给 Alice 的 ACK ，可以和 Bob 向 Alice 发起的 SYN 合并，称为一条 SYN-ACK 消息。TCP 协议以此来减少握手的次数，减少数据的传输，于是 TCP 就变成了三次握手。下图中绿色标签状是 Alice 和 Bob 的状态，完整的 TCP 三次握手的过程如下图所示：

（2） TCP 的四次挥手

四次挥手（TCP 断开连接）的原理类似。中断连接的请求我们称为 Finish（用 FIN 表示）；和三次握手过程一样，需要分析成 4 步：

• 第 1 步是 Alice 发送 FIN
• 第 2 步是 Bob 给 ACK
• 第 3 步是 Bob 发送 FIN
• 第 4 步是 Alice 给 ACK

之所以是四次挥手，是因为第 2 步和 第 3 步在挥手的过程中不能合并为 FIN-ACK。原因是在挥手的过程中，Alice 和 Bob 都可能有未完成的工作。比如对 Bob 而言，可能还存在之前发给 Alice 但是还没有收到 ACK 的请求。因此，Bob 收到 Alice 的 FIN 后，就马上给 ACK。但是 Bob 会在自己准备妥当后，再发送 FIN 给 Alice。完整的过程如下图所示：

（3）连接

连接是一个虚拟概念，连接的目的是让连接的双方达成默契，倾尽资源，给对方最快的响应。经历了三次握手，Alice 和 Bob 之间就建立了连接。连接也是一个很好的编程模型。当连接不稳定的时候，可以中断连接后再重新连接。这种模式极大地增加了两个应用之间的数据传输的可靠性。

以上就是 TCP 中存在的，而 UDP 中没有的机制，你可以仔细琢磨琢磨。

3）封包排序

可靠性有一个最基本的要求是数据有序发出、无序传输，并且有序组合。TCP 协议保证了这种可靠性，UDP 则没有保证。

在传输之前，数据被拆分成分块。在 TCP 中叫作一个TCP Segment。在 UDP 中叫作一个UDP Datagram。Datagram 单词的含义是数据传输的最小单位。在到达目的地之后，尽管所有的数据分块可能是乱序到达的，但为了保证可靠性，乱序到达的数据又需要被重新排序，恢复到原有数据的顺序。

在这个过程当中，TCP 利用了滑动窗口、快速重传等算法，保证了数据的顺序。而 UDP，仅仅是为每个 Datagram 标注了序号，并没有帮助应用程序进行数据的排序，这也是 TCP 和 UDP 在保证可靠性上一个非常重要的区别。

2、使用场景

上面的内容中，我们比较了 TCP 和 UDP 在可靠性上的区别，接下来我们看看两个协议的使用场景。

我们先来看一道面试题：如果客户端和服务器之间的单程平均延迟是 30 毫秒，那么客户端 Ping 服务端需要多少毫秒？

【分析】这个问题最核心的点是需要思考 Ping 服务应该由 TCP 实现还是 UDP 实现？请你思考：Ping 需不需要保持连接呢？答案是不需要，Ping 服务器的时候把数据发送过去即可，并不需要特地建立一个连接。

请你再思考，Ping 需不需要保证可靠性呢？答案依然是不需要，如果发生了丢包， Ping 将丢包计入丢包率即可。所以从这个角度来看，Ping 使用 UDP 即可。

所以这道面试题应该是 Round Trip 最快需要在 60 毫秒左右。一个来回的时间，我们也通常称为 Round Trip 时间。

通过分析上面的例子，我想告诉你，TCP 和 UDP 的使用场景是不同的。TCP 适用于需要可靠性，需要连接的场景。UDP 因为足够简单，只对数据进行简单加工处理，就调用底层的网络层（IP 协议）传输数据去了。因此 UDP 更适合对可靠性要求不高的场景。

另外很多需要定制化的场景，非常需要 UDP。以 HTTP 协议为例，在早期的 HTTP 协议的设计当中就选择了 TCP 协议。因为在 HTTP 的设计当中，请求和返回都是需要可靠性的。但是随着 HTTP 协议的发展，到了 HTTP 3.0 的时候，就开始基于 UDP 进行传输。这是因为，在 HTTP 3.0 协议当中，在 UDP 之上有另一个QUIC 协议在负责可靠性。UDP 足够简单，在其上构建自己的协议就很方便。

你可以再思考一个问题：文件上传应该用 TCP 还是 UDP 呢？乍一看肯定是 TCP 协议，因为文件上传当然需要可靠性，防止数据损坏。但是如果你愿意在 UDP 上去实现一套专门上传文件的可靠性协议，性能是可以超越 TCP 协议的。因为你只需要解决文件上传一种需求，不用像 TCP 协议那样解决通用需求。

所以时至今日，到底什么情况应该用 TCP，什么情况用 UDP？这个问题边界的确在模糊化。总体来说，需要可靠性，且不希望花太多心思在网络协议的研发上，就使用 TCP 协议。