快速理解TCP和UDP的差别

前言

最头疼的问题莫过于到底该选TCP仍是UDP做为传输层协议。经过快速对比分析 TCP 和 UDP 的区别，来帮助即时通信初学者快速了解这些基础的知识点，从而在IM、消息推送等网络通讯应用场景中能准确地选择合适的传输层协议。

创建链接方式的差别

TCP

说到 TCP 创建链接，相信大多数人脑海里确定能够浮现出一个词，没错就是--“三次握手”。TCP 经过“三次握手”来创建链接，再经过“四次挥手”断开一个链接。在每次挥手中 TCP 作了哪些操做呢？

流程以下图所示（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，清楚的展现了 TCP 的三次握手和四次挥手。能够看到，当 TCP 试图创建链接时，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。

咱们能够先明确一下 TCP 创建链接而且初始化的目标是什么呢？

• 1初始化资源；
• 2告诉对方个人序列号。

因此三次握手的次序是这样子的：

1. client端首先发送一个SYN包告诉Server端个人初始序列号是X；
2. 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；
3. 接着Server端也须要告诉client端本身的初始序列号，因而Server也发送一个SYN包告诉client个人初始序列号是Y；
4. Client收到后，回复Server一个ACK确认包说我知道了。

其中的 2 、3 步骤能够简化为一步，也就是说将 ACK 确认包和 SYN 序列化包一同发送给 Client 端。到此咱们就比较简单的解释了 TCP 创建链接的“三次握手”。

UDP

咱们都知道 TCP 是面向链接的、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，因此 UDP 压根不会创建什么链接。

就比如发短信同样，UDP 只须要知道对方的 ip 地址，将数据报一份一份的发送过去就能够了，其余的做为发送方，都不须要关心。

数据发送方式的差别

关于 TCP、UDP 之间数据发送的差别，能够体现两者最大的不一样之处：

• TCP：
  因为 TCP 是创建在两端链接之上的协议，因此理论上发送的数据流不存在大小的限制。可是因为缓冲区有大小限制，因此你若是用 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：
  因为 UDP 自己发送的就是一份一份的数据报，因此天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协议自己，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 自己协议的报文长度为 2^16 - 1，UDP 包头占 8 个字节，IP 协议自己封装后包头占 20 个字节，因此最终长度为： 2^16 - 1 - 20 - 8 = 65507 字节。

只看第一个因素有点理想化了，由于 UDP 属于不可靠协议，咱们应该尽可能避免在传输过程当中，数据包被分割。因此这里有一个很是重要的概念 MTU -- 也就是最大传输单元。

在 Internet 下 MTU 的值为 576 字节，因此在 internet 下使用 UDP 协议，每一个数据报最大的字节数为： 576 - 20 - 8 = 548

数据有序性的差别

TCP

对于 TCP 来讲，自己 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 一、二、3，则只要发送端和接收端保持链接时，接收端收到的数据始终都是 一、二、3。

UDP

而 UDP 协议则要奔放的多，不管 server 端不管缓冲池的大小有多大，接收 client 端发来的消息老是一个一个的接收。

而且因为 UDP 自己的不可靠性以及无序性，若是 client 发送了 一、二、3 这三个数据报过来，server 端接收到的多是任意顺序、任意个数三个数据报的排列组合。

可靠性的差别

其实你们都知道 TCP 自己是可靠的协议，而 UDP 是不可靠的协议。

TCP

TCP 内部的不少算法机制让他保持链接的过程当中是很可靠的。好比：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。

因此 TCP 是一个内部原理复杂，可是使用起来比较简单的这么一个协议。

UDP

UDP 是一个面向非链接的协议，UDP 发送的每一个数据报带有本身的 IP 地址和接收方的 IP 地址，它自己对这个数据报是否出错，是否到达不关心，只要发出去了就行了。

因此来研究下，什么状况会致使 UDP 丢包：

• 数据报分片重组丢失：在文章以前咱们就说过，UDP 的每一个数据报大小多少最合适，事实上 UDP 协议自己规定的大小是 64kb，可是在数据链路层有 MTU 的限制，大小大概在 5kb，因此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，而后重组。这个过程就有可能致使分片的包丢失。UDP 自己有 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，接收方尚未处理这部分的 UDP 数据报，这个时候再过来的数据报就没有地方能够存了，天然就都被丢弃了。

使用场景总结

在文章最后的一部分，聊聊 TCP、UDP 使用场景。

先来讲 UDP 的吧，有不少人都会以为 UDP 与 TCP 相比，在性能速度上是占优点的。

由于 UDP 并不用保持一个持续的链接，也不须要对收发包进行确认。

但事实上通过这么多年的发展 TCP 已经拥有足够多的算法和优化，在网络状态不错的状况下，TCP 的总体性能是优于 UDP 的。

那在何时咱们非用 UDP 不可呢？

• 对实时性要求高：好比实时会议，实时视频这种状况下，若是使用 TCP，当网络很差发生重传时，画面确定会有延时，甚至越堆越多。若是使用 UDP 的话，即便偶尔丢了几个包，可是也不会影响什么，这种状况下使用 UDP 比较好；
• 多点通讯：TCP 须要保持一个长链接，那么在涉及多点通信的时候，确定须要和多个通讯节点创建其双向链接，而后有时在NAT环境下，两个通讯节点创建其直接的 TCP 链接不是一个容易的事情，而 UDP 能够无需保持链接，直接发就能够了，因此成本会很低，并且穿透性好。这种状况下使用 UDP 也是没错的。

以上咱们说了 UDP 的使用场景，在此以外的其余状况，使用 TCP 准没错。

毕竟有一句话嘛：

when in doubt，use TCP。