计算机网络系列UDP协议和TCP协议比较

Posted 2021-07-11 猿猿HHH

TCP 最核心的价值是提供了可靠性，而 UDP 最核心的价值是灵活，你几乎可以用它来做任何事情。例如：HTTP 协议 1.1 和 2.0 都基于 TCP，而到了 HTTP 3.0 就开始用 UDP 了。

TCP协议的rfc文档：https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc793?fileGuid=xxQTRXtVcqtHK6j8

UDP协议的rfc文档：https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc768?fileGuid=xxQTRXtVcqtHK6j8

分别点开上面的链接，不难发现，TCP协议的rfc文档拥有85页，UDP协议的文档则只有3页。

TCP 和 UDP 是今天应用最广泛的传输层协议，拥有最核心的垄断地位，而rfc文档只有3页的UDP协议能够成为今天最主流的传输层协议之一，那么它一定有非常值得我们学习的地方。

UDP 在数据传输、网络控制、音视频、Web 技术中，都有很重要的地位，因此它也是面试常考的内容。设计系统时候，UDP 经常拿来和 TCP 比较。

UDP 协议

UDP（User Datagram Protocol），目标是在传输层提供直接发送报文（Datagram）的能力。 Datagram 是数据传输的最小单位。UDP 协议不会帮助拆分数据，它的目标只有一个，就是发送报文。

为什么不直接调用 IP 协议呢？ 如果裸发数据，IP 协议不香吗？
这是因为传输层协议在承接上方应用层的调用，需要提供应用到应用的通信——因此要附上端口号。每个端口，代表不同的应用。传输层下层的 IP 协议，承接传输层的调用，将数据从主机传输到主机。IP 层不能区分应用，导致哪怕是在 IP 协议上进行简单封装，也需要单独一个协议。这就构成了 UDP 协议的市场空间。

UDP 的封包格式

UDP 的设计目标就是在允许用户直接发送报文的情况下，最大限度地简化应用的设计。下图是 UDP 的报文格式。

你可以看到，UDP 的报文非常简化，只有 5 个部分。

• Source Port 是源端口号。因为 UDP 协议的特性（不需要 ACK），因此这个字段是可以省略的。但有时候对于防火墙、代理来说，Source Port 有很重要的意义，它们需要用这个字段行过滤和路由。

• Destination Port 是目标端口号（这个字段不可以省略）。

• Length 是消息体长度。

• Checksum 是校验和，作用是检查封包是否出错。

• Data octets 就是一个字节一个字节的数据，Octet 是 8 位。

下面我们先简单聊聊校验和（Checksum）机制，这个机制在很多的网络协议中都会存在，因为校验数据在传输过程中有没有丢失、损坏是一个普遍需求。在一次网络会话中，我们传输的内容可能是：“你好！”，但事实上传输的是 01 组成的二进制。请你思考这样一个算法，我们把数据分成一个一个 byte，然后将所有 byte 相加，再将最终的结果取反。

比如现在数据有 4 个 byte：a,b,c,d，那么一种最简单的校验和就是：

checksum=(a+b+c+d) ^ 0xff

如果发送方用上述方式计算出 Checksum，并将 a,b,c,d 和 Checksum 一起发送给接收方，接收方就可以用同样的算法再计算一遍，这样就可以确定数据有没有发生损坏（变化）。当然 Checksum 的做法，只适用于数据发生少量变化的情况。如果数据发生较大的变动，校验和也可能发生碰撞。

你可以看到 UDP 的可靠性保证仅仅就是 Checksum 一种。如果一个数据封包 Datagram 发生了数据损坏，UDP 可以通过 Checksum 纠错或者修复。 但是 UDP 没有提供再多的任何机制，比如 ACK、顺序保证以及流控等。

UDP 与 TCP的区别

1. 目的差异

首先，这两个协议的目的不同：TCP 协议的核心目标是提供可靠的网络传输，而 UDP 的目标是在提供报文交换能力基础上尽可能地简化协议轻装上阵。

2. 可靠性差异

TCP 核心是要在保证可靠性提供更好的服务。TCP 会有握手的过程，需要建立连接，保证双方同时在线。而且TCP 有时间窗口持续收集无序的数据，直到这一批数据都可以合理地排序组成连续的结果。

UDP 并不具备以上这些特性，它只管发送数据封包，而且 UDP 不需要 ACK，这意味着消息发送出去成功与否 UDP 是不管的。

3. 连接 vs 无连接

TCP 是一个面向连接的协议（Connection-oriented Protocol），传输数据必须先建立连接。 UDP 是一个无连接协议（Connection-less Protocol），数据随时都可以发送，只提供发送封包（Datagram）的能力。

4. 流控技术（Flow Control）

TCP 使用了流控技术来确保发送方不会因为一次发送过多的数据包而使接收方不堪重负。TCP 在发送缓冲区中存储数据，并在接收缓冲区中接收数据。当应用程序准备就绪时，它将从接收缓冲区读取数据。如果接收缓冲区已满，接收方将无法处理更多数据，并将其丢弃。UDP 没有提供类似的能力。

5. 传输速度

UDP 协议简化，封包小，没有连接、可靠性检查等，因此单纯从传输速度上讲，UDP 更快。

6. 场景差异

TCP 每个数据封包都需要确认，因此天然不适应高速数据传输场景，比如观看视频（流媒体应用）、网络游戏（TCP 有延迟）等。具体来说，如果网络游戏用 TCP，每个封包都需要确认，可能会造成一定的延迟；再比如音、视频传输天生就允许一定的丢包率；Ping 和 DNSLookup，这类型的操作只需要一次简单的请求/返回，不需要建立连接，用 UDP 就足够了。

近些年有一个趋势，TCP/UDP 的边界逐渐变得模糊，UDP 应用越来越多。比如传输文件，如果考虑希望文件无损到达，可以用 TCP。如果考虑希望传输足够块，就可能会用 UDP。再比如 HTTP 协议，如果考虑请求/返回的可靠性，用 TCP 比较合适。但是像 HTTP 3.0 这类应用层协议，从功能性上思考，暂时没有找到太多的优化点，但是想要把网络优化到极致，就会用 UDP 作为底层技术，然后在 UDP 基础上解决可靠性。

所以理论上，任何一个用 TCP 协议构造的成熟应用层协议，都可以用 UDP 重构。这就好比，本来用一个工具可以解决所有问题，但是如果某一类问题体量非常大，就会专门为这类问题创造工具。因此，UDP 非常适合需要定制工具的场景。

下面我把场景分成三类，TCP 应用场景、UDP 应用场景、模糊地带（TCP、UDP 都可以考虑），你可以参考。

第一类：TCP 场景

• 远程控制（SSH）

• File Transfer Protocol（FTP）

• 邮件（SMTP、IMAP）等

• 点对点文件传出（微信等）

第二类：UDP 场景

• 网络游戏

• 音视频传输

• DNS

• Ping

• 直播

第三类：模糊地带

• HTTP（目前以 TCP 为主）

• 文件传输

以上我们从多个方面了解了 TCP 和 UDP 的区别，最后再来总结一下。UDP 不提供可靠性，不代表我们不能解决可靠性。UDP 的核心价值是灵活、轻量，构造了最小版本的传输层协议。在这个之上，还可以实现连接（Connection），实现会话（Session），实现可靠性（Reliability）……