三十三、传输层篇-既生瑜何生亮：UDP和TCP的对比

亲爱的读者朋友们，上一篇文章讲述了端口那些事儿，本篇文章直击传输层的两大主角UDP和TCP，我们通过UDP和TCP的对比来学习UDP协议，并且给TCP协议的学习做好铺垫，本文知识点绝对是必备、干货满满，分享给读者朋友们，绝对受益无穷，日后面试问到UDP和TCP的区别时信手拈来！好，下面来一文扫清UDP和TCP区别。

之前我们介绍TCP/IP四层体系结构的时候说过，在传输层中有两个最重要的协议：UDP和TCP协议。这两种协议的使用频率仅次于网络层的IP协议，因此这两个协议尤其是TCP协议将是传输层着重去探讨的对象。

本篇文章主要探讨UDP和TCP的区别，顺便就把UDP的知识点学习完毕了，大纲为：

一、为什么会出现TCP和UDP两种协议

首先我们要了解传输层中为什么要有两种协议，一种不行吗？

由于我们在网络上传输数据的时候有两类需求：

第一类：可靠传输数据，不对速度有太高要求
第二类：尽最大努力、立即传输数据，允许传输时丢失一些信息

关于第一类，就是对应着我们大多数的应用程序，比如网页，丢失一个数据包，页面可能就无法正确展示了；还有电子邮件、SSH软件、多数在线游戏等等，我们必须不惜一切代价正确接收每个发送的数据包。

至于第二类，相对第一类就少了佷多，主要是实时应用，例如互联网广播、互联网电视等，此类场景用户可以忍受偶尔的断断续续，因此丢失一个或多个数据包，没有什么影响。

综上，我们的先辈发明了TCP协议，对应着第一类应用，TCP协议是基于连接的可靠的协议。对应第二类应用，发明了UDP协议，尽最大努力传递报文，不可靠。

TCP协议对应到生活中类似打电话，首先通过“您好/喂/Hello/米西米西”之类的词语确定对方听得到，对方也会“喂/您好/米西米西”确定我能听得到。

TCP本质上就是实现了以上类似的场景，不过机器不像我们人这么聪明，要保证这种可靠的通信，还是蛮复杂的，这也是TCP复杂的原因。

相对于TCP，UDP就简单了佷多，因为不可靠，就像寄信，我哗哗哗寄出去几十封就不管了，剩下了就看邮局给力不给力了，正常情况下最多也就丢一两封信件，我们对此表示可以忍受。但是最坏的情况下就是发出去的信一封都没到对方手中。但是没办法啊，我们只管发，才不管对方有没有收到呢，这才简单嘛，这样我们寄信速度是很快的，因为根本没有确认的过程，发了就完事了！因此这也不可靠嘛！所以我们经常说UDP是一个无连接、快速但不可靠的协议。

二、面向连接和面向无连接

UDP的全称是：”User Datagram Protocol”，即用户数据报协议。

而TCP的全称是：”Transmission Control Protocol”，即传输控制协议，我们来简单看看他们之间的对比。

UDP是很简单的协议，目标是快速发出去，不需要知道信息是否被正确接收，因此发送的报文也极其简单，并且是随时就可以发送，下图表示两台使用UDP主机通过因特网的通信时大概的样子：

而使用TCP协议进行通信的双方主机，在进行数据传输之前，必须使用“三次报文握手”来建立TCP连接，TCP连接建立成功后才能进行数据传输，数据传输完成后必须使用“四次报文挥手”来释放TCP连接。

注意这里的连接属于逻辑连接，而不是物理连接。综上所述，UDP是面向无连接的，而TCP是面向有连接的。

当别人问：到底什么是面向连接，什么是面向无连接呢？回答如下：

面向连接（connection-oriented）：面向连接的协议要求正式发送数据之前需要通过「握手」建立一个逻辑连接，结束通信时也是通过有序的四次「挥手」来断开连接。
无连接（connectionless）：无连接的协议则不需要

后续我们将深入学习三次握手和四次挥手，来了解其意义和机制。

三、TCP仅支持单播

UDP支持单播、多播和广播，换句话说，UDP支持一对一、一对多以及一对全的通信。

而使用TCP协议的通信双方，在进行数据传输之前，，必须使用“三次报文握手”来建立TCP连接，TCP建立成功后，通信双方之间好像建立了一条基于TCP连接的可靠信道，通信双方即可通过这条可靠信道进行通信。很显然，这样做的话，TCP仅支持单播，即一对一的通信。

四、面向应用层报文和面向字节流

我们先来看看UDP协议是如何处理应用报文的。

发送方将应用层报文交付给传输层UDP，UDP直接在应用层报文添加一个UDP首部，使之成为UDP数据报。接收方应用进程收到报文段后，直接去除UDP首部即可交付给上层应用，也就是说，UDP对应用进程交付下来的报文既不合并也不拆分，而是保持报文的边界，仅仅加一个UDP首部即可，换句话说，UDP是面向应用报文的，整体处理经过简化后如下图所示：

没有对比就没有切身感受，我们来看看TCP协议的情况。

发送方的TCP把应用进程交付下来的数据块仅仅看作是一连串的、无结构的字节流，TCP并不知道这些待传送的字节流的含义，仅将它们编号并存储在发送缓存中。

TCP根据发送策略，从发送缓存中提取一定数量的字节，构建成一个TCP报文段发送出去。

假设此时依次写入500 字节、800 字节，此时仅仅是把字节拷贝到缓存区中，最终发送出去多少是不确定的，比如可以分为两条报文依次发出去500字节和800字节数据；也可以把两部分数据合并为一个长度为 1300 字节的报文，一次发送；也可能第一次发送400个字节，第二次发送900个字节等等各种拆分组合。

上面出现的情况取决于诸多因素：路径最大传输单元MTU、发送窗口大小、拥塞窗口大小等。

接收方的TCP一方面从接收到的TCP报文段中取出数据载荷部分并存储在接收缓存中，一方面将接收缓存中的一些字节交付给应用进程。

当接收方从 TCP 套接字读数据时，它是没法得知对方每次写入的字节是多少的。接收端可能分2 次每次 650 字节读取，也有可能先分三次，一次 100 字节，一次 200 字节，一次 1000 字节进行读取。

可以看出，TCP不保证接收方应用进程所收到的数据块与发送方应用进程所发出的数据块具有对应大小的关系，例如，发送方应用进程交给发送方的TCP共10个数据块，但接收方的TCP可能只用了4个数据块，就把收到的字节流交付给了上层的应用进程。

当然，接收方应用进程必须有能力识别收到的字节流，把他还原成有意义的应用层数据，TCP面向字节流，是实现可靠传输、流量控制、拥塞控制的基础。

五、可靠和不可靠

我们知道，网络层提供的是一种无连接、不可靠的协议：它尽最大可能将数据报从发送者传输给接收者，但并不保证包到达的顺序会与它们被传输的顺序一致，也不保证包是否重复，甚至都不保证包是否会达到接收者。

而UDP同样是一种向上提供无连接、不可靠的传输服务。

发送方给接收方发送UDP数据报，若传输过程中用户数据报受到干扰而产生误码，接收方UDP可以通过该数据报首部中的校验和字段的值，检查出产生误码的情况，然后仅仅丢弃数据报，其他什么也不做！

发送方给接收方发送UDP数据报，如果该数据报被因特网中的某个路由器丢弃了，发送方UDP不做任何处理。

因为UDP向上提供无连接、不可靠的传输服务，因此对于出现误码、丢失等问题，UDP并不关心。

基于UDP这个特点，UDP适用于实时应用，比如IP电话、视频会议等，这类场景可以容忍丢失一些数据报或小部分数据报有误码，就尽可能最大限度地传输数据报即可。

而在TCP中，这种情况得到解决，TCP向上提供有连接、可靠的传输服务，保障不会出现传输差错，或者说在出现差错时得到解决，保证发送方的所有报文都能正确到达接收方，而不是像UDP那样容忍误码或丢失等情况。

我们可以想象为建立TCP的双方之间有一根可靠信道：

因此TCP适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输。总体来讲，TCP要想在IP基础上构建可靠的传输层协议，必须有一个复杂的机制来保障可靠性，主要有下面几个方面：

对每个包提供校验和
包的序列号解决了接收数据的乱序、重复问题
超时重传
流量控制、拥塞控制

这些实际上在之前的文章《十、数据链路层篇-可靠传输问题（上）》和《十一、数据链路层篇-可靠传输问题（下）》探讨可靠传输问题时都有说明过，后续将结合TCP再来详细说明TCP的流量控制、拥塞控制、超时重传、可靠传输的具体实现机制。

六、报文首部有差别

最后，来看看UDP和TCP报文首部的区别。

UDP由于机制十分简单，因此首部构成也非常简单，包括源端口号、目的端口号、数据报总长度、校验和。

每个区域都占 2 个字节，所以头部只需要 8 个字节。这是我们迄今为止看到的最小的头部了，以后应该也看不到比这更小的头部了。

源端口号（Source Port）：这很简单，它是发送信息的应用程序的地址。
目标端口号（Destination Port）：也很简单，它是接收信息的应用程序的地址。
数据报的总长度（单位是 Byte）：此区域占 2 字节，这意味着一个数据报的最大长度是 2 的 16 次方（等于 65536）个字节。但现实中，很少见到大于 512 字节的 UDP 数据报。这主要是因为丢失一个较小的数据报是可以接受的，但是丢失较大的数据报则比较麻烦，因为 UDP 对于丢失数据包置若罔闻。
Checksum：表示 “校验和”，其原理与 OSI 第 2 层的以太网帧里的 CRC（循环冗余校验）类似，也是为了确保发送的数据和接收的数据是相同的。也许有些教材将这里的 Checksum 写成 CRC。CRC 和 Checksum 都属于冗余校验（Redundancy Check）。Checksum 是最简单的冗余校验。

对了，既然 OSI 第 2 层以太网协议已经有一个 CRC 校验了，为什么 UDP 协议还需要有一个 Checksum 校验呢？

OSI每一层都是独立的，校验了第二层并不意味着不需要校验第四层，第三层也同理。因为每一层都不应该知道另一层执行了一个校验，每个层应该实现自己的校验。此外，有时数据报到达第 4 层时，会带着从第 3 层跨越到第 4 层时产生的错误。因此，使用冗余校验是非常必要的。

而TCP的首部就相对来说比较复杂了，因为TCP要实现可靠传输、流量控制、拥塞控制等服务，所以字段也佷多，其首部最小20字节，最大60字节，需要单独一个章节详细剖析其字段含义，这里不展开说明。

七、总结

本文主要是对比了UDP协议和TCP协议，在对比中，实际上我们已经把UDP学习完毕了，TCP只是开了一个头，因为UDP确实太简单了，学习了本文，了解与TCP的区别，还有其首部结构，明白他是一个无连接、不可靠的协议，拼命传输上层应用报文达到最大传输速度即可，适合于实时应用，比如IP电话、视频会议等知识即可。

而TCP是实现了面向连接、可靠的传输服务，需要支持可靠传输、流量控制、拥塞控制等服务，因此TCP比较复杂，也是传输层中需要花费佷多精力去学习和探讨的对象，后续文章将对TCP进行详细的学习。

最后用一张图来总结TCP和UDP对比：