网络笔记(10) UDP协议：因性善而简单，难免碰到“城会玩”

怼烎@ 2022-02-03 05:49 126阅读 0赞

讲完了 IP 层以后，接下来我们开始讲传输层。传输层里比较重要的两个协议，一个是 TCP，一个是 UDP。对于不从事底层开发的人员来讲，或者对于开发应用的人来讲，最常用的就是这两个协议。由于面试的时候，这两个协议经常会被放在一起问，因而我在讲的时候，也会结合着来讲。

## TCP 和 UDP 有哪些区别？ ##

一般面试的时候我问这两个协议的区别，大部分人会回答，TCP 是面向连接的，UDP 是面向无连接的。

什么叫面向连接，什么叫无连接呢？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。为什么要建立连接呢？你 TCP 三次握手，我 UDP 也可以发三个包玩玩，有什么区别吗？

**所谓的建立连接，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。**

例如，**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。我们都知道 IP 包是没有任何可靠性保证的，一旦发出去，就像西天取经，走丢了、被妖怪吃了，都只能随它去。但是 TCP 号称能做到那个连接维护的程序做的事情，这个下两节我会详细描述。而**UDP 继承了 IP 包的特性，不保证不丢失，不保证按顺序到达。**

再如，**TCP 是面向字节流的**。发送的时候发的是一个流，没头没尾。IP 包可不是一个流，而是一个个的 IP 包。之所以变成了流，这也是 TCP 自己的状态维护做的事情。而**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。**

还有**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。**

因而**TCP 其实是一个有状态服务**，通俗地讲就是有脑子的，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，错一点儿都不行。而 **UDP 则是无状态服务。** 通俗地说是没脑子的，天真无邪的，发出去就发出去了。

我们可以这样比喻，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。我们笼统地称为包。包单独传输，自行选路，在不同的设备封装解封装，不保证到达。基于这个基因，生下来的孩子 UDP 完全继承了这些特性，几乎没有自己的思想。

## UDP 包头是什么样的？ ##

我们来看一下 UDP 包头。

前面章节我已经讲过包的传输过程，这里不再赘述。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，接下来呢？这里面的数据包是给谁呢？

发送的时候，我知道我发的是一个 UDP 的包，收到的那台机器咋知道的呢？所以在 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。于是，如果我们知道 UDP 头的格式，就能从数据里面，将它解析出来。解析出来以后呢？数据给谁处理呢？

处理完传输层的事情，内核的事情基本就干完了，里面的数据应该交给应用程序自己去处理，可是一台机器上跑着这么多的应用程序，应该给谁呢？

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，要不说端口不能冲突呢。两个应用监听一个端口，到时候包给谁呀？所以，按理说，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。

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当我们看到 UDP 包头的时候，发现的确有端口号，有源端口号和目标端口号。因为是两端通信嘛，这很好理解。但是你还会发现，UDP 除了端口号，再没有其他的了。和下两节要讲的 TCP 头比起来，这个简直简单得一塌糊涂啊！

## UDP 的三大特点 ##

UDP 就像小孩子一样，有以下这些特点：

第一，**沟通简单**，不需要一肚子花花肠子（大量的数据结构、处理逻辑、包头字段）。前提是它相信网络世界是美好的，秉承性善论，相信网络通路默认就是很容易送达的，不容易被丢弃的。

第二，**轻信他人**。它不会建立连接，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。

第三，**愣头青，做事不懂权变**。不知道什么时候该坚持，什么时候该退让。它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 的三大使用场景 ##

基于 UDP 这种“小孩子”的特点，我们可以考虑在以下的场景中使用。

第一，**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**。这很好理解，就像如果你是领导，你会让你们组刚毕业的小朋友去做一些没有那么难的项目，打一些没有那么难的客户，或者做一些失败了也能忍受的实验性项目。

我们在第四节讲的 DHCP 就是基于 UDP 协议的。一般的获取 IP 地址都是内网请求，而且一次获取不到 IP 又没事，过一会儿还有机会。我们讲过 PXE 可以在启动的时候自动安装操作系统，操作系统镜像的下载使用的 TFTP，这个也是基于 UDP 协议的。在还没有操作系统的时候，客户端拥有的资源很少，不适合维护一个复杂的状态机，而是因为是内网，一般也没啥问题。

第二，**不需要一对一沟通，建立连接，而是可以广播的应用**。咱们小时候人都很简单，大家在班级里面，谁成绩好，谁写作好，应该表扬谁惩罚谁，谁得几个小红花都是当着全班的面讲的，公平公正公开。长大了人心复杂了，薪水、奖金要背靠背，和员工一对一沟通。

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，而广播包的格式前面说过了。

对于多播，我们在讲 IP 地址的时候，讲过一个 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。当路由器收到这个组播地址的时候，会将包转发给这台机器，这样就实现了跨路由器的组播。

在后面云中网络部分，有一个协议 VXLAN，也是需要用到组播，也是基于 UDP 协议的。

第三，**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**。记得曾国藩建立湘军的时候，专门招出生牛犊不怕虎的新兵，而不用那些“老油条”的八旗兵，就是因为八旗兵经历的事情多，遇到敌军不敢舍死忘生。

同理，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。而 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。

当前很多应用都是要求低时延的，它们可不想用 TCP 如此复杂的机制，而是想根据自己的场景，实现自己的可靠和连接保证。例如，如果应用自己觉得，有的包丢了就丢了，没必要重传了，就可以算了，有的比较重要，则应用自己重传，而不依赖于 TCP。有的前面的包没到，后面的包到了，那就先给客户展示后面的嘛，干嘛非得等到齐了呢？如果网络不好，丢了包，那不能退缩啊，要尽快传啊，速度不能降下来啊，要挤占带宽，抢在客户失去耐心之前到达。

由于 UDP 十分简单，基本啥都没做，也就给了应用“城会玩”的机会。就像在和平年代，每个人应该有独立的思考和行为，应该可靠并且礼让；但是如果在战争年代，往往不太需要过于独立的思考，而需要士兵简单服从命令就可以了。

曾国藩说哪支部队需要诱敌牺牲，也就牺牲了，相当于包丢了就丢了。两军狭路相逢的时候，曾国藩说上，没有带宽也要上，这才给了曾国藩运筹帷幄，城会玩的机会。同理如果你实现的应用需要有自己的连接策略，可靠保证，时延要求，使用 UDP，然后再应用层实现这些是再好不过了。

## 基于 UDP 的“城会玩”的五个例子 ##

我列举几种“城会玩”的例子。

### “城会玩”一：网页或者 APP 的访问 ###

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。而且目前的 HTTP 协议，往往采取多个数据通道共享一个连接的情况，这样本来为了加快传输速度，但是 TCP 的严格顺序策略使得哪怕共享通道，前一个不来，后一个和前一个即便没关系，也要等着，时延也会加大。

而**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，是应用层“城会玩”的代表。这一节主要是讲 UDP，QUIC 我们放到应用层去讲。

### “城会玩”二：流媒体的协议 ###

现在直播比较火，直播协议多使用 RTMP，这个协议我们后面的章节也会讲，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。

另外，对于丢包，其实对于视频播放来讲，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。

还有就是当网络不好的时候，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。

### “城会玩”三：实时游戏 ###

游戏有一个特点，就是实时性比较高。快一秒你干掉别人，慢一秒你被别人爆头，所以很多职业玩家会买非常专业的鼠标和键盘，争分夺秒。

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，然后 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。

另外还是 TCP 的强顺序问题，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。

### “城会玩”四：IoT 物联网 ###

一方面，物联网领域终端资源少，很可能只是个内存非常小的嵌入式系统，而维护 TCP 协议代价太大；另一方面，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。

### “城会玩”五：移动通信领域 ###

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，这部分协议我会在后面的章节单独讲解。

## 小结 ##

好了，这节就到这里了，我们来总结一下：

*  如果将 TCP 比作成熟的社会人，UDP 则是头脑简单的小朋友。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。

来源:

1.  刘超-趣谈网络协议系列课；

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