网络编程入门如此简单(五)：UDP跟TCP相比，到底差了什么？

本文由悟空聊架构分享，有修订和排版优化。
1、引言

本文将通俗易懂地为你类比解释UDP与TCP的核心差异，包括如何基于UDP实现TCP的可靠传输：通过模拟三次握手、添加序列号与确认机制解决顺序和丢包问题，利用滑动窗口控制流量，并引入拥塞控制算法来动态调整发送速率等。

2、系列文章

本文是该系列文章中的第 5 篇：

• 《网络编程入门如此简单(一)：假如你来设计网络，会怎么做？》
  
• 《网络编程入门如此简单(二)：假如你来设计TCP协议，会怎么做？》
  
• 《网络编程入门如此简单(三)：什么是IPv6？漫画式图文，一篇即懂！》
  
• 《网络编程入门如此简单(四)：一文搞懂localhost和127.0.0.1》
  
• 《网络编程入门如此简单(五)：UDP跟TCP相比，到底差了什么？》（* 本文）
  

3、写在前面

本题是我在面试中，技术总监问我的一道真题，当时答得不太好，所以把它揪出来总结了下。后来问了下总监，总监说这是阿里的面试题。。
其实面试官主要是想让我说出 UDP 和 TCP 的原理上的区别，怎么给 UDP 加些功能实现 TCP。
看好去很容易就能说出一两个 TCP 和 UDP 的区别，但如果能用女朋友都能听懂的方式该怎么说呢？
女朋友：我不想听课本上讲的！我听不懂呀~
下面我会以大白话的方式来解答上面的问题。
4、UDP协议的主要特点

UDP 让我想起了刚毕业参加工作那会，一名毕业菜鸟。
1）沟通简单：
领导安排的任务，直接干就完了。
UDP 也是，相信网络世界永远是美好的，我发送的包是很容易送到的，接收方也是很容易组装的。数据结构也很简单，不需要大量的数据结构、处理逻辑、包头字段。
2）轻信他人：
测试人员报的 bug 我也不会和她争论什么，永远相信测试人员是对的，测试人员说啥就是啥，我改就是。
UDP 也是，不会建立连接，有个端口号，谁都可以监听这个端口号往上面发数据。也可以从这个端口号传给任何人数据。反正我只管发就是。
3）不会讨价还价：
产品经理昨天说手机壳需要根据心情变色，测试人员说这个 bug 要把关联的两个 bug 一起修掉。那就按照他们说的做吧！
UDP 也是，不懂坚持和退让。也就是根据网络情况进行拥塞控制。无论网络丢包多严重，我还是照样发~
5、UDP协议的使用场景

针对像我那时候毕业菜鸟的情况，领导给我安排了三种工作环境让我选。
1）内部系统，任务简单，模块单一，不需要考虑代码的关联影响，即使失败了也没有关系。
UDP 也是，需要资源少，网络情况比较好的内网，或者对于丢包不敏感的应用。
2）有一个强力的团队支持，都是中高级开发、测试人员，团队成员打过很多年交道，互相信任。有什么问题，吼一嗓子就可以了！
UDP 也是，不需要一对一沟通来建立连接，可以广播的应用。
3）一个新项目，需要有激情，对于刚毕业的菜鸟，都是有很强的自主能动性的，也不会耍滑头，躲在厕所玩手机，带薪拉shi ？即使项目不忙，我也抓紧时间干。项目忙，还是一样干！
UDP 也是，猛着发包就是，主要应用在需要处理速度快，时延低，可以容忍少数丢包的情况。即使网络情况不佳，发包就是~
针对上面的三大场景，UDP 常用在实时竞技游戏，IoT 物联网，移动通信领域。
6、TCP协议的主要特点  

6.1 面向连接

TCP 和 UDP 是传输层里面比较重要的两个协议。大部分面试的时候都会问到两者的区别。而大部分都会两句，比如 TCP 是面向连接的，UDP 是面向无连接。
那什么是面向连接？
TCP 三次握手是我们常常念叨和背诵的。而在这三次握手成功后，就是建立连接成功。
那什么又叫面向呢？
我们也常听到面向对象编程、面向切面编程、面向服务编程。那到底什么是面向？
在我看来 面向 就是遵循一定的协议、规范、数据结构等来做一系列事情。
比如面向连接，就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，用这样的数据来保证所谓的面向连接的特性。
知道了 TCP 的是用三次握手来建立连接，那我们是否可以让 UDP 也发三个包来模拟 TCP 建立连接？可以是可以，但是如果只是建立，而不是面向连接，其实意义不大。
那 TCP 面向连接做了哪些事情？
TCP 提供可靠交付，通过 TCP 连接传输的数据，可以无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。而 UDP 继承了 IP 包的特性，不保证不丢失，不保证按顺序到达。
6.2 面向字节流

TCP 是面向字节流，所谓字节流，就是发的是一个流，没头没尾。TCP 自己维护流状态。
UDP 基于 IP 数据报，一个一个地发，一个一个地收。
6.3 拥塞控制

TCP 拥有拥塞控制，如果包丢弃了或者网络环境不好了，就会根据网络情况自行控制自己的行为，看下是发快点还是发慢点。
UDP 则没有这么智能了， 你让我发，我就发呗，反正是你让我发的，其他的一概不管~
6.4 有状态服务

TCP 是一个有状态的服务，有状态可以理解为：我记录了哪些发送了，哪些没有发送，哪些接收到了，哪些没接收到，应该接收哪个了，一点差错都不行。TCP 干的事情可真多！
而 UDP 则不是有状态的服务，我只管发，其他的就交给接收端吧，有点任性是吧？
7、如何让UDP追上TCP的能力？

建立连接上面已经讲到了，三次握手和四次握手，UDP 也可以模拟去做。
那下面还有几个问题：

• 1）顺序问题；
  
• 2）丢包问题；
  
• 3）流量控制；
  
• 4）拥塞控制。
  

TCP 的数据结构长这样：

其实如果你能把这些结构讲清楚，就已经理解了 TCP 的核心功能。下面我还是用大白话的方式来讲解上面的四个问题。
顺序问题和丢包问题可以利用确认与重发的机制。假如包收到了，可以做一个确认，发送一个 ACK 给发送端，告诉他我收到了。假如有的包提前到了，就缓存着。假如有包丢失了，就可以超时重试。超时重试不宜过短，时间必须大于往返时间 RTT，否则会引起不必要的重传。也不宜过长，如果超时时间过长，访问就变慢了。那怎么确定这个时间，可以通过采样 RTT 的时间，进行加权平均。还需要根据网络状况，动态变化。可以了解下自适应重传算法。
流量控制就是根据网络情况调整发包的速率。利用的是滑动窗口。在对于包的确认中，同时会携带一个窗口的大小，只要利用好这个窗口大小，就能很好地调整发包速率，发的报文段不要超过窗口的大小就 OK。

拥塞控制主要用来避免包丢失和超时重传，如果出现了这两种现象，就说明发的速率太快了。那最开始怎么知道发送速率呢？其实开始时只发送一个报文段数据，如果收到一个确认，则倍增报文段，依次类推。当发现超时重传时，就又回到只发送一个报文段的情况，这个就是慢启动，这种方式不合适。其实还有一种快速重传算法，简单来说就是拥塞窗口减半，后续线性增速。针对于算法怎么实现的，这里就不展开讲述了。

至此，我用大白话的方式讲解了 UDP 和 TCP 的区别，以及 UDP 缺什么功能，需要怎么去弥补才能实现 TCP 的功能。相信这样回答的思路可以让面试官觉得还是有点东西的。
8、参考资料

[1] TCP/IP详解 - 第11章·UDP：用户数据报协议
[2] TCP/IP详解 - 第17章·TCP：传输控制协议
[3] 通俗易懂-深入理解TCP协议（上）：理论基础
[4] 通俗易懂-深入理解TCP协议（下）：RTT、滑动窗口、拥塞处理
[5] 快速理解TCP协议一篇就够
[6] 快速理解TCP和UDP的差异
[7] 快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势
[8] 一泡尿的时间，快速搞懂TCP和UDP的区别
[9] 跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手
[10] 假如你来设计网络，会怎么做？
[11] 假如你来设计TCP协议，会怎么做？
[12] 深入地理解UDP协议并用好它
[13] 如何让不可靠的UDP变的可靠？
[14] UDP比TCP高效？还真不一定！
[15] 可靠传输的TCP协议send成功就意味着数据一定发出去了？
[16] 为何基于TCP协议的移动端IM仍然需要心跳保活机制？
[17] 技术扫盲：新一代基于UDP的低延时网络传输层协议——QUIC详解

即时通讯技术学习：
- 移动端IM开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》
- 开源IM框架源码：https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK（备用地址点此）

（本文已同步发布于：http://www.52im.net/thread-4897-1-1.html）

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