趣谈网络协议10UDP与TCP主讲UDP
传输层里比较重要的两个协议,一个是 TCP,一个是 UDP。
TCP 和 UDP 有哪些区别?
TCP 是面向连接的,UDP 是面向无连接的。
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。
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。
IP 包是没有任何可靠性保证的,一旦发出去,各种情况走丢了,都只能随它去。
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。
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,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
当发送的包到达目标机器后,发现MAC地址匹配,把MAC头取下来,将剩下的包传给处理IP的代码。把IP头取下来,发现目标IP匹配,把IP头取下来,IP头中有一个协议字段,存着TCP还是UDP,知道了用的协议是UDP,又知道到UDP头的格式,就能从数据里面将它解析出来。(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)
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。
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头
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。
UDP 的三大特点
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
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。
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,而且因为是内网,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。
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。
基于 UDP 的“城会玩”的五个例子
“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。