网络协议复习笔记（七）传输层：UDP协议

TCP 和 UDP 的区别

TCP 是面向连接的，UDP 是面向无连接的。
在互通之前，面向连接的协议会先建立连接。例如，TCP 会三次握手，而 UDP 不会。
建立连接，是为了在客户端和服务端维护连接，而建立一定的数据结构来维护双方交互的状态，用这样的数据结构来保证所谓的面向连接的特性。

TCP 提供可靠交付。通过 TCP 连接传输的数据，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。UDP 继承了 IP 包的特性，不保证不丢失，不保证按顺序到达。

**TCP 是面向字节流的。**发送的时候发的是一个流，没头没尾。IP 包不是一个流，而是一个个的 IP 包。UDP 继承了 IP 的特性，基于数据报的，一个一个地发，一个一个地收。

**TCP 是可以有拥塞控制的。**它意识到包丢弃了或者网络的环境不好了，就会根据情况调整自己的行为，看看是不是发快了，要不要发慢点。UDP 就不会，应用让我发，我就发，管它洪水滔天。

TCP 其实是一个有状态服务，里面精确地记着发送了没有，接收到没有，发送到哪个了，应该接收哪个了。**UDP 则是无状态服务。**不会记录，只管发。

如果 MAC 层定义了本地局域网的传输行为，IP 层定义了整个网络端到端的传输行为，这两层基本定义了这样的基因：网络传输是以包为单位的，二层叫帧，网络层叫包，传输层叫段。

UDP包头

当我发送的 UDP 包到达目标机器后，发现 MAC 地址匹配，于是就取下来，将剩下的包传给处理 IP 层的代码。把 IP 头取下来，发现目标 IP 匹配，发送的时候在IP 头里面有个8 位协议，这里会存放，数据里面到底是 TCP 还是 UDP，当然这里是 UDP。

无论应用程序写的使用 TCP 传数据，还是 UDP 传数据，都要监听一个端口。正是这个端口，用来区分应用程序，无论是 TCP 还是 UDP 包头里面应该有端口号，根据端口号，将数据交给相应的应用程序。

UDP三大特性（白话）

1. 沟通简单，不需要大量的数据结构、处理逻辑、包头字段。但前提是网络通路默认就是很容易送达的，不容易被丢弃的。
2. 轻信他人。不会建立连接，虽然有端口号，但是监听在这个地方，谁都可以传给他数据，他也可以传给任何人数据，甚至可以同时传给多个人数据。
3. **愣头青，做事不懂权变。**不会根据网络的情况进行发包的拥塞控制，无论网络丢包丢成啥样了，它该怎么发还怎么发。

UDP三大使用场景

针对上述对应的特性，考虑在以下的场景中使用。

1. 需要资源少，在网络情况比较好的内网，或者对于丢包不敏感的应用。
2. 不需要一对一沟通，建立连接，而是可以广播的应用。

UDP 的不面向连接的功能，可以使得可以承载广播或者多播的协议。DHCP 就是一种广播的形式，就是基于 UDP 协议的。

D 类地址，也即组播地址，使用这个地址，可以将包组播给一批机器。当一台机器上的某个进程想监听某个组播地址的时候，需要发送 IGMP 包，所在网络的路由器就能收到这个包，知道有个机器上有个进程在监听这个组播地址。

3. 需要处理速度快，时延低，可以容忍少数丢包，但是要求即便网络拥塞，也毫不退缩，一往无前的时候。

UDP 简单、处理速度快，不像 TCP 那样，操这么多的心，各种重传啊，保证顺序啊，前面的不收到，后面的没法处理啊。不然等这些事情做完了，时延早就上去了。TCP 在网络不好出现丢包的时候，拥塞控制策略会主动的退缩，降低发送速度，这就相当于本来环境就差，还自断臂膀，用户本来就卡，这下更卡了。

基于UDP的五个例子

网页或APP访问

原来访问网页和手机 APP 都是基于HTTP 协议的。HTTP 协议是基于 TCP 的，建立连接都需要多次交互，对于时延比较大的目前主流的移动互联网来讲，建立一次连接需要的时间会比较长，然而既然是移动中，TCP 可能还会断了重连，也是很耗时的。

QUIC（全称 Quick UDP Internet Connections，快速 UDP 互联网连接）是 Google 提出的一种基于UDP 改进的通信协议，其目的是降低网络通信的延迟，提供更好的用户互动体验。QUIC 在应用层上，会自己实现快速连接建立、减少重传时延，自适应拥塞控制。

流媒体的协议

现在直播比较火，直播协议多使用 RTMP，而这个 RTMP 协议也是基于 TCP的。TCP的严格顺序传输要保证前一个收到了，下一个才能确认，如果前一个收不到，下一个就算包已经收到了，在缓存里面，也需要等着。对于直播来讲这显然是不合适的，因为老的视频帧丢了其实也就丢了，就算再传过来用户也不在意了，他们要看新的了，如果老是没来就等着，卡顿了，新的也看不了，那就会丢失客户，所以直播，实时性比较比较重要，宁可丢包，也不要卡顿的。

对于视频播放来讲，有的包可以丢，有的包不能丢，因为视频的连续帧里面，有的帧重要，有的不重要，如果必须要丢包，隔几个帧丢一个，其实看视频的人不会感知，但是如果连续丢帧，就会感知了，因而在网络不好的情况下，应用希望选择性的丢帧。

还有当网络不好的时候，TCP 协议会主动降低发送速度，这对本来当时就卡的看视频来讲是要命的，应该应用层马上重传，而不是主动让步。因而，很多直播应用，都基于 UDP实现了自己的视频传输协议。

实时游戏

游戏有一个特点，就是实时性比较高。因而，实时游戏中客户端和服务端要建立长连接，来保证实时传输。但是游戏玩家很多，服务器却不多。由于维护TCP连接需要在内核维护一些数据结构，因而一台机器能够支撑的TCP 连接数目是有限的。UDP 由于是没有连接的，在异步 IO 机制引入之前，常常是应对海量客户端连接的策略。

对战的游戏，对网络的要求很简单，玩家通过客户端发送给服务器鼠标和键盘行走的位置，服务器会处理每个用户发送过来的所有场景，处理完再返回给客户端，客户端解析响应，渲染最新的场景展示给玩家。

如果出现一个数据包丢失，所有事情都需要停下来等待这个数据包重发。客户端会出现等待接收数据，然而玩家并不关心过期的数据，激战中卡 1 秒，等能动了都已经死了。

游戏对实时要求较为严格的情况下，采用自定义的可靠UDP协议，自定义重传策略，能够把丢包产生的延迟降到最低，尽量减少网络问题对游戏性造成的影响。

IOT 物联网

物联网对实时性要求也很高，而 TCP 还是因为上面的那些原因导致时延大。Google 旗下的 Nest 建立 Thread Group，推出了物联网通信协议 Thread，就是基于UDP协议的。

移动通信

在4G网络里，移动流量上网的数据面对的协议 GTP-U 是基于 UDP 的。因为移动网络协议比较复杂，而GTP协议本身就包含复杂的手机上线下线的通信协议。如果基于TCP，TCP 的机制就显得非常多余。

小结

• TCP复杂，UDP 简单；TCP维护连接，UDP 谁都相信；TCP 会坚持知进退；UDP愣头青一个，勇往直前。
• UDP虽然简单，但它有简单的用法。它可以用在环境简单、需要多播、应用层自己控制传输的地方。例如 DHCP、VXLAN、QUIC 等。