网络编程懒人入门(四)：快速理解TCP和UDP的差异

1、前言

对于即时通讯开发者新手来说，在开始着手编写IM或消息推送系统的代码前，最头疼的问题莫过于到底该选TCP还是UDP作为传输层协议。本文延续《网络编程懒人入门》系列文章的风格，通过快速对比分析 TCP 和 UDP 的区别，来帮助即时通讯初学者快速了解这些基础的知识点，从而在IM、消息推送等网络通信应用场景中能准确地选择合适的传输层协议。

即时通讯网的另一篇文章《简述传输层协议TCP和UDP的区别》也阐述了类似的内容，希望能为您提供更多的参考。

2、系列文章

本文是系列文章中的第4篇，本系列文章的大纲如下：

本站的《脑残式网络编程入门》也适合入门学习，本系列大纲如下：

如果您觉得本系列文章过于基础，您可直接阅读《不为人知的网络编程》系列文章，该系列目录如下：

关于移动端网络特性及优化手段的总结性文章请见：

3、参考资料

《TCP/IP详解 - 第11章·UDP：用户数据报协议》

《TCP/IP详解 - 第17章·TCP：传输控制协议》

《TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止》

《TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传》

《通俗易懂-深入理解TCP协议（上）：理论基础》

《通俗易懂-深入理解TCP协议（下）：RTT、滑动窗口、拥塞处理》

《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》

《理论联系实际：抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》

《技术往事：改变世界的TCP/IP协议（珍贵多图、手机慎点）》

《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）》

《高性能网络编程(一)：单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少》

《高性能网络编程(二)：上一个10年，著名的C10K并发连接问题》

《高性能网络编程(三)：下一个10年，是时候考虑C10M并发问题了》

《高性能网络编程(四)：从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索》

《简述传输层协议TCP和UDP的区别》

《UDP中一个包的大小最大能多大？》

《为什么QQ用的是UDP协议而不是TCP协议？》

《移动端即时通讯协议选择：UDP还是TCP？》

4、建立连接方式的差异 4.1TCP

说到 TCP 建立连接，相信大多数人脑海里肯定可以浮现出一个词，没错就是“三次握手”。TCP 通过“三次握手”来建立连接，再通过“四次挥手”断开一个连接。在每次挥手中 TCP 做了哪些操作呢？

流程如下图所示（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，清楚的展示了 TCP 的三次握手和四次挥手。可以看到，当 TCP 试图建立连接时，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。

我们可以先明确一下 TCP 建立连接并且初始化的目标是什么呢？

所以三次握手的次序是这样子的：

其中的 2 、3 步骤可以简化为一步，也就是说将 ACK 确认包和 SYN 序列化包一同发送给 端。到此我们就比较简单的解释了 TCP 建立连接的“三次握手”。

4.2 UDP

我们都知道 TCP 是面向连接的、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，所以 UDP 压根不会建立什么连接。

就好比发短信一样，UDP 只需要知道对方的 ip 地址，将数据报一份一份的发送过去就可以了，其他的作为发送方，都不需要关心。

（关于TCP的3次握手和4次挥手文章，可详见《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》、《理论联系实际：抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》）

5、数据发送方式的差异

关于 TCP、UDP 之间数据发送的差异，可以体现二者最大的不同之处：

那么每次 UDP 发送的数据报大小由哪些因素共同决定呢？

先来看第一个因素，UDP 本身协议的报文长度为 2^16 - 1，UDP 包头占 8 个字节，IP 协议本身封装后包头占 20 个字节，所以最终长度为： 2^16 - 1 - 20 - 8 = 65507 字节。

只看第一个因素有点理想化了，因为 UDP 属于不可靠协议，我们应该尽量避免在传输过程中，数据包被分割。所以这里有一个非常重要的概念 MTU -- 也就是最大传输单元。

在 下 MTU 的值为 576 字节，所以在 下使用 UDP 协议，每个数据报最大的字节数为： 576 - 20 - 8 = 548

（有关UDP协议的最大包长限制，详见《UDP中一个包的大小最大能多大？》）

6、数据有序性的差异

我们再来谈谈数据的有序性。

6.1TCP

对于 TCP 来说，本身 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 1、2、3，则只要发送端和接收端保持连接时，接收端收到的数据始终都是 1、2、3。

6.2UDP

而 UDP 协议则要奔放的多，无论 端无论缓冲池的大小有多大，接收 端发来的消息总是一个一个的接收。并且由于 UDP 本身的不可靠性以及无序性，如果 发送了 1、2、3 这三个数据报过来， 端接收到的可能是任意顺序、任意个数三个数据报的排列组合。

7、可靠性的差异

其实大家都知道 TCP 本身是可靠的协议，而 UDP 是不可靠的协议。

7.1 TCP

TCP 内部的很多算法机制让他保持连接的过程中是很可靠的。比如：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。所以 TCP 是一个内部原理复杂，但是使用起来比较简单的这么一个协议。

7.2 UDP

UDP 是一个面向非连接的协议，UDP 发送的每个数据报带有自己的 IP 地址和接收方的 IP 地址，它本身对这个数据报是否出错，是否到达不关心，只要发出去了就好了。

所以来研究下，什么情况会导致 UDP 丢包：

8、使用场景总结

在文章最后的一部分，聊聊 TCP、UDP 使用场景。

先来说 UDP 的吧，有很多人都会觉得 UDP 与 TCP 相比，在性能速度上是占优势的。因为 UDP 并不用保持一个持续的连接，也不需要对收发包进行确认。但事实上经过这么多年的发展 TCP 已经拥有足够多的算法和优化，在网络状态不错的情况下，TCP 的整体性能是优于 UDP 的。

那在什么时候我们非用 UDP 不可呢？

以上我们说了 UDP 的使用场景，在此之外的其他情况，使用 TCP 准没错。

毕竟有一句话嘛：

when in doubt，use TCP。

（原文链接：点此进入，有改动）