UDP 协议与 TCP 的区别解析 – wiki基地

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深入解析：UDP 协议与 TCP 协议的核心区别

在浩瀚无垠的网络世界中，数据包如同信件般穿梭于全球各地的计算机之间。而决定这些信件如何封装、如何可靠地送达、以及送达后如何处理的关键，便是网络协议栈中的传输层协议。在 TCP/IP 协议族中，传输层扮演着至关重要的角色，它负责端到端的通信，即从一个应用程序到另一个应用程序的数据传输。在这个层面，有两个主角协议：传输控制协议（Transmission Control Protocol, TCP）和用户数据报协议（User Datagram Protocol, UDP）。

虽然 TCP 和 UDP 都位于传输层，服务于上层应用，但它们的设计哲学和功能特性却截然不同。理解这两者之间的根本区别，对于网络应用开发、网络故障排查以及构建高性能、高可靠性的网络系统至关重要。本文将对 TCP 和 UDP 进行深入剖析，详细阐述它们在各个方面的差异。

1. 协议设计哲学与核心特性概览

• TCP (Transmission Control Protocol):

  • 设计哲学： 强调可靠性、有序性和流量控制，旨在提供一种端到端、面向连接的可靠数据传输服务。
  • 核心特性： 面向连接、可靠传输、字节流服务、有序传输、流量控制、拥塞控制。
  • 类比： 就像发送一封挂号信或快递，有明确的寄件人、收件人、单号，需要确认收件，保证信件不丢失、不错乱顺序，如果丢失或损坏还会重新发送。

• UDP (User Datagram Protocol):

  • 设计哲学： 强调简单、高效和低延迟，旨在提供一种无连接、尽力而为（best-effort）的数据报传输服务。
  • 核心特性： 无连接、不可靠传输、数据报服务、无序传输、无流量控制、无拥塞控制。
  • 类比： 就像发送一张明信片，直接投递，不建立连接，不确认收件，无法保证是否能送达，也无法保证多张明信片是否按发送顺序到达。

从这个初步的概览可以看出，TCP 牺牲了一定的效率和实时性来换取可靠性，而 UDP 则牺牲了可靠性来换取更高的效率和更低的延迟。这种根本性的差异体现在它们的功能实现和应用场景上。

2. 面向连接 vs. 无连接

这是 TCP 和 UDP 最根本的区别之一。

• TCP – 面向连接 (Connection-Oriented):

  • 在数据传输开始之前，TCP 必须在发送方和接收方之间建立一个逻辑上的连接。这个连接建立的过程通常通过著名的“三次握手”（Three-Way Handshake）来实现。
  • 三次握手过程简述：
    1. 客户端向服务器发送一个 SYN (Synchronize) 分节，包含客户端的初始序号 (ISN)。
    2. 服务器收到 SYN 分节后，如果同意建立连接，会向客户端发送一个 SYN-ACK (Synchronize-Acknowledgement) 分节，其中包含服务器的初始序号以及对客户端 SYN 的确认 (ACK)，确认号为客户端的 ISN + 1。
    3. 客户端收到 SYN-ACK 后，向服务器发送一个 ACK 分节，其中包含对服务器 SYN 的确认，确认号为服务器的 ISN + 1。
  • 只有三次握手成功完成，双方的状态都变为 ESTABLISHED（已建立），数据传输才能开始。
  • 连接一旦建立，双方就可以进行双向的数据传输。
  • 数据传输结束后，需要通过“四次挥手”（Four-Way Handshake）来终止连接，释放资源。这个过程比三次握手复杂，确保双方都同意关闭连接并处理完所有待发数据。
  • 面向连接的特点使得 TCP 需要维护连接状态（如序号、确认号、窗口大小等），这增加了协议的复杂性和开销。

• UDP – 无连接 (Connectionless):

  • UDP 在发送数据之前不需要建立任何连接。发送方只是简单地将数据打包成 UDP 数据报，然后尽可能地将其发送出去。
  • 接收方收到 UDP 数据报后，也无需向发送方发送确认。
  • 由于不建立和维护连接状态，UDP 的开销非常小，发送数据速度快。
  • 但这意味着 UDP 无法保证数据报是否能够到达目的地，或者到达的顺序是否正确。每个 UDP 数据报都是一个独立的单元，它们在网络中各自传播，路径和到达时间可能不同。

3. 可靠性

可靠性是 TCP 的标志性特性，而 UDP 则天生不可靠。

• TCP – 可靠传输 (Reliable Transmission):

  • TCP 通过一系列机制确保数据能够可靠地从发送方传输到接收方，不丢失、不重复、不错序。这些机制包括：
    • 序号 (Sequence Numbers): TCP 将发送的数据视为一个字节流，并为每个字节分配一个序号。发送方在每个 TCP 段（Segment）中包含数据的起始序号。
    • 确认号 (Acknowledgement Numbers): 接收方在收到数据后，会发送一个确认（ACK）给发送方，确认号表明接收方期望收到的下一个字节的序号。这等于确认了到确认号减一为止的所有字节都已经收到。
    • 重传机制 (Retransmission): 发送方为发送的每个 TCP 段设置一个定时器。如果在定时器到期前没有收到相应的确认，发送方会认为该段丢失，并进行重传。
    • 校验和 (Checksum): TCP 段包含一个校验和字段，用于检测数据在传输过程中是否发生损坏。如果校验和不匹配，接收方会丢弃该段，发送方由于没有收到确认而最终会重传。
  • 这些机制共同作用，使得 TCP 能够克服底层网络可能存在的丢包、重复、乱序和损坏等问题，向上层应用提供一个可靠的通信通道。

• UDP – 不可靠传输 (Unreliable Transmission):

  • UDP 不提供任何可靠性保证。它只管发送数据，不关心数据是否到达目的地，也不关心到达的顺序。
  • UDP 数据报在传输过程中可能会丢失、重复或乱序到达。
  • UDP 头部有一个可选的校验和字段，如果使用并计算，可以检测数据报是否损坏。如果校验和错误，通常接收方会选择丢弃该数据报，但不会通知发送方。
  • 如果应用程序需要可靠性，必须在应用层自己实现相应的机制（如序号、确认、重传等），但这样做会增加应用开发的复杂性。

4. 有序性

数据的顺序对于许多应用来说至关重要。

• TCP – 有序传输 (Ordered Delivery):

  • 由于使用了序号和确认机制，TCP 能够确保数据按照发送方发送的顺序到达接收方的应用层。
  • 即使底层网络导致数据包乱序到达，TCP 接收端也会根据序号对收到的数据进行排序，然后才将其提交给应用层。如果某个序号的数据尚未到达（即有“空洞”），TCP 会暂存后续到达的数据，直到“空洞”被填补。

• UDP – 无序传输 (Disordered Delivery):

  • UDP 数据报是独立的单元，它们在网络中的传输路径和到达时间是不可控的。
  • 因此，即使发送方按照特定顺序发送了多个 UDP 数据报，接收方收到的顺序可能与发送顺序不同。
  • 应用程序如果需要有序处理数据，必须在应用层自己处理排序问题。

5. 头部开销

协议头部包含了控制信息，其大小直接影响到数据传输的效率。

• TCP – 头部开销较大：

  • 标准 TCP 头部大小为 20 字节（不含可选字段）。
  • 如果包含可选字段（如时间戳、窗口缩放选项等），头部大小最多可达 60 字节。
  • 这些头部字段包含序号、确认号、窗口大小、各种标志位（SYN, ACK, FIN 等）等，用于实现 TCP 的各种复杂功能。

• UDP – 头部开销较小：

  • UDP 头部非常简单，固定为 8 字节。
  • 它只包含四个字段：源端口号、目标端口号、UDP 数据报长度和校验和（可选）。
  • 这种极简的头部设计使得 UDP 非常高效，尤其适用于传输小数据块。

6. 流量控制

流量控制是为了防止发送方发送数据的速度过快，导致接收方来不及处理而丢弃数据。

• TCP – 具有流量控制 (Flow Control):

  • TCP 使用滑动窗口（Sliding Window）机制来实现流量控制。
  • 接收方在确认（ACK）中告知发送方自己当前还能接收多少字节的数据（即接收窗口 RWIN）。
  • 发送方会根据接收方的窗口大小来限制自己发送的数据量，确保不会超出接收方的处理能力。
  • 滑动窗口是动态调整的，接收方可以根据自己的缓冲区使用情况调整窗口大小。

• UDP – 无流量控制 (No Flow Control):

  • UDP 不提供内置的流量控制机制。
  • 发送方只会根据自己的发送速率尽可能地发送数据。
  • 如果接收方应用程序或操作系统缓冲区满，后续到达的 UDP 数据报将会被直接丢弃，而发送方对此一无所知。
  • 应用程序如果需要流量控制，必须在应用层自己实现。

7. 拥塞控制

拥塞控制是为了防止过多的数据注入到网络中，导致网络资源（如路由器缓冲区）耗尽，引发网络性能急剧下降甚至崩溃（即“拥塞崩溃”）。

• TCP – 具有拥塞控制 (Congestion Control):

  • TCP 是一种“守规矩”的协议，它通过一系列复杂的算法来感知网络的拥塞程度，并相应地调整发送速率。
  • 主要的拥塞控制算法包括：慢启动 (Slow Start)、拥塞避免 (Congestion Avoidance)、快速重传 (Fast Retransmit) 和快速恢复 (Fast Recovery)。
  • TCP 会维护一个拥塞窗口（Congestion Window, CWND），发送方实际发送的数据量受限于接收窗口和拥塞窗口中的较小值。
  • 当 TCP 检测到丢包（通常认为是拥塞的信号）时，会减小拥塞窗口，降低发送速率，从而缓解网络拥塞。
  • TCP 的拥塞控制机制对于维持互联网的稳定运行至关重要。

• UDP – 无拥塞控制 (No Congestion Control):

  • UDP 不提供拥塞控制机制。它会按照应用程序指定的速率发送数据，即使网络已经严重拥塞。
  • UDP 应用程序被称为“不合作的”（uncooperative）协议，因为它不会主动减缓发送速率来响应网络拥塞。
  • UDP 应用程序如果在高发送速率下运行时遇到网络拥塞，可能会导致大量的丢包，甚至会加剧网络的拥塞程度，影响到同时使用网络的其他“守规矩”的 TCP 连接。
  • 因此，设计基于 UDP 的高带宽应用程序时，需要考虑在应用层实现自己的拥塞控制机制，或者采用其他技术（如 RTP/RTCP 在流媒体中的反馈机制）来避免拥塞问题。

8. 速度、效率与延迟

由于功能特性上的差异，TCP 和 UDP 在速度、效率和延迟方面表现不同。

• TCP – 相对较慢、开销大、延迟高：

  • 连接的建立和终止（三次握手、四次挥手）增加了额外的延迟。
  • 可靠性机制（序号、确认、重传、排序）需要更多的计算和网络交互，增加了开销和潜在的延迟。
  • 流量控制和拥塞控制机制可能会限制发送速率，尤其是在网络状况不佳时。
  • 较大的头部也增加了传输的数据量。
  • 这些因素使得 TCP 在速度和实时性方面不如 UDP。

• UDP – 相对较快、开销小、延迟低：

  • 无需建立和终止连接，减少了延迟和交互。
  • 没有可靠性、流量控制和拥塞控制的复杂机制，处理速度快。
  • 极小的头部开销使得数据传输更高效。
  • UDP 只是简单地将数据发送出去，其性能瓶颈主要在于应用程序的处理速度和底层网络的传输能力。
  • 这使得 UDP 非常适合对延迟敏感的应用。

9. 适用场景

理解了 TCP 和 UDP 的特性，就可以根据应用程序的需求选择合适的协议。

• TCP 的典型应用场景： 需要可靠传输的应用，数据完整性和顺序比实时性更重要。

  • 网页浏览 (HTTP/HTTPS): 确保网页内容完整、正确地传输。
  • 文件传输 (FTP): 保证文件不丢失、不损坏。
  • 电子邮件 (SMTP/POP3/IMAP): 确保邮件内容完整送达。
  • 安全外壳 (SSH): 提供可靠、加密的远程登录会话。
  • 在线支付、银行交易等： 对数据准确性要求极高。

• UDP 的典型应用场景： 对实时性要求高，可以容忍少量数据丢失或乱序，或者需要在应用层实现特定可靠性机制的应用。

  • 域名系统 (DNS): 只需要快速查询和少量数据，如果查询失败可以重新发起。
  • 流媒体服务 (Streaming Media): 如在线视频、音频直播。丢失一两个数据包可能只会导致画面或声音的瞬时卡顿，重传反而可能增加延迟，影响观看体验。通常采用缓冲和向前纠错等技术在应用层弥补不可靠性。
  • 实时多人在线游戏： 对延迟非常敏感。丢失一些游戏状态更新包可以容忍，通过后续的数据包来纠正；重传旧数据包则可能导致游戏不同步。
  • 语音通话 (VoIP): 与流媒体类似，丢失少量语音数据影响较小，重传延迟影响更大。
  • 网络管理协议 (SNMP): 通常只需要快速获取设备状态，简单请求-响应模式。
  • 组播/广播： TCP 是点对点连接，无法直接支持组播或广播，而 UDP 支持。
  • 一些隧道协议或VPN： 有时为了性能和灵活性会基于 UDP 构建。

10. 套接字类型

在编程中，使用套接字（Socket）API 来进行网络通信。TCP 和 UDP 对应不同的套接字类型。

• TCP： 使用面向连接的套接字类型，如 SOCK_STREAM。需要经过 socket() -> bind() -> listen() -> accept() (服务器端) 和 socket() -> connect() (客户端) 的流程来建立连接，然后使用 send() 和 recv() 等函数进行数据传输。
• UDP： 使用无连接的套接字类型，如 SOCK_DGRAM。只需 socket() -> bind() (服务器/接收方) 或 socket() (客户端/发送方)，然后就可以直接使用 sendto() 和 recvfrom() 等函数发送和接收数据报，每次发送都需要指定目标地址。

11. 状态管理

• TCP： 是有状态的协议。每一端都需要维护有关连接的状态信息，包括连接的当前阶段（如 SYN_SENT, ESTABLISHED, FIN_WAIT_1 等）、序号、确认号、窗口大小、定时器等。这些状态信息消耗内存和 CPU 资源，限制了单个服务器能够同时维护的 TCP 连接数量。
• UDP： 是无状态的协议。服务器收到一个 UDP 数据报时，它是作为一个独立的事件来处理的，不需要维护与特定客户端的长期连接状态。这使得 UDP 服务器能够轻松处理大量的并发请求，非常适合那些每个请求都是独立的、简短的应用（如 DNS）。

12. 应用程序对数据边界的处理

• TCP – 字节流 (Byte Stream):

  • TCP 将应用程序发送的数据视为一个无结构的字节流，它会根据网络的MTU（最大传输单元）和拥塞窗口等因素，将数据分割成适合传输的 TCP 段。
  • 发送方调用 send() 多次发送的数据，接收方可能通过一次 recv() 调用全部接收，反之亦然。TCP 不保留应用程序写入和读取的边界。例如，发送方发送100字节，分两次每次50字节，接收方可能一次性收到100字节。
  • 如果应用程序需要在字节流中识别消息边界，需要在应用层自己定义协议（如添加消息长度前缀或特定分隔符）。

• UDP – 数据报 (Datagram):

  • UDP 是面向数据报的。发送方调用 sendto() 发送一个数据报，接收方通过一次 recvfrom() 调用接收一个完整的数据报。
  • UDP 保留了应用程序发送的数据报的边界。发送方发送了多少次数据报，接收方通常就接收到多少次数据报，除非数据报丢失。
  • 如果发送方发送的数据报太大超过了底层网络的 MTU 并且发生分片，即使只丢失一个分片，整个 UDP 数据报也会被丢弃。

13. QUIC: 在 UDP 之上构建 TCP 的特性

值得一提的是，随着网络技术的发展和应用需求的演变，出现了一些新的协议试图结合 TCP 和 UDP 的优点。一个显著的例子是 QUIC (Quick UDP Internet Connections)，最初由 Google 开发，现在是 IETF 标准。QUIC 运行在 UDP 之上，但提供了多路复用、流控制、可靠传输和安全性等通常由 TCP 和 TLS 提供的功能。QUIC 的目标是提供比 TCP 更低的连接建立延迟、更快的流传输速度（避免 TCP 的队头阻塞问题），并改进拥塞控制。这表明在某些场景下，基于 UDP 构建类似 TCP 的可靠性等特性可能更具优势。

总结对比表格

为了更清晰地呈现，我们将 TCP 和 UDP 的主要区别汇总如下表：

特性	TCP (Transmission Control Protocol)	UDP (User Datagram Protocol)
连接类型	面向连接 (Connection-Oriented)	无连接 (Connectionless)
数据传输	可靠 (Reliable)	不可靠 (Unreliable)
数据顺序	有序 (Ordered)	无序 (Disordered)
数据单位	字节流 (Byte Stream)	数据报 (Datagram)
头部大小	20-60 字节	8 字节
传输速度	相对较慢 (Slow)	相对较快 (Fast)
延迟	相对较高 (Higher)	相对较低 (Lower)
流量控制	有 (Yes), 通过滑动窗口 (Sliding Window) 实现	无 (No)
拥塞控制	有 (Yes), 通过复杂算法实现	无 (No)
错误处理	检测并纠正 (Detect and Correct via Retransmission)	检测 (Detect via Checksum), 通常丢弃 (Discard)
应用场景	文件传输、网页、邮件、远程登录、需要可靠性的应用	DNS、流媒体、在线游戏、VoIP、广播/组播
状态管理	有状态 (Stateful)	无状态 (Stateless)
复杂性	复杂	简单
套接字类型	SOCK_STREAM	SOCK_DGRAM

结论

TCP 和 UDP 是互联网传输层最重要的两个协议，它们各自有着独特的设计目标和适用范围。TCP 提供了一种可靠的、面向连接的字节流服务，通过复杂的机制确保数据传输的完整性、顺序性和可靠性，适用于对数据准确性要求极高的应用。UDP 则提供了一种简单的、无连接的、尽力而为的数据报服务，以最小的开销实现快速数据传输，适用于对实时性要求高、可以容忍少量数据丢失或乱序的应用。

在选择使用 TCP 还是 UDP 时，关键在于权衡可靠性、速度、延迟和开销。没有绝对优劣之分，只有是否适合特定应用的需求。开发者需要深入理解两者的特性，才能为自己的应用选择最合适的传输层协议，或者在必要时基于 UDP 构建自定义的可靠性或拥塞控制机制，以达到最佳的性能和用户体验。对 TCP 和 UDP 的深入理解，是掌握网络通信基础的关键一步。

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