講完了 IP 層以后，接下來我們開始講傳輸層追驴。傳輸層里比較重要的兩個協(xié)議械哟，一個是 TCP，一個是 UDP殿雪。對于不從事底層開發(fā)的人員來講暇咆，或者對于開發(fā)應(yīng)用的人來講，最常用的就是這兩個協(xié)議丙曙。由于面試的時候爸业，這兩個協(xié)議經(jīng)常會被放在一起問，因而我在講的時候亏镰，也會結(jié)合著來講扯旷。
TCP 和 UDP 有哪些區(qū)別？
一般面試的時候我問這兩個協(xié)議的區(qū)別索抓，大部分人會回答钧忽，TCP 是面向連接的，UDP 是面向無連接的逼肯。
什么叫面向連接耸黑，什么叫無連接呢？在互通之前篮幢，面向連接的協(xié)議會先建立連接大刊。例如，TCP 會三次握手三椿，而 UDP 不會奈揍。為什么要建立連接呢？你 TCP 三次握手赋续，我 UDP 也可以發(fā)三個包玩玩男翰，有什么區(qū)別嗎？
所謂的建立連接纽乱，是為了在客戶端和服務(wù)端維護(hù)連接蛾绎，而建立一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來維護(hù)雙方交互的狀態(tài)，用這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保證所謂的面向連接的特性。
例如租冠，TCP 提供可靠交付鹏倘。通過 TCP 連接傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，無差錯顽爹、不丟失纤泵、不重復(fù)、并且按序到達(dá)镜粤。我們都知道 IP 包是沒有任何可靠性保證的捏题，一旦發(fā)出去，就像西天取經(jīng)，走丟了、被妖怪吃了诗宣，都只能隨它去友题。但是 TCP 號稱能做到那個連接維護(hù)的程序做的事情，這個下兩節(jié)我會詳細(xì)描述。而 UDP 繼承了 IP 包的特性，不保證不丟失，不保證按順序到達(dá)绪钥。
再如，TCP 是面向字節(jié)流的关炼。發(fā)送的時候發(fā)的是一個流程腹，沒頭沒尾。IP 包可不是一個流盗扒，而是一個個的 IP 包跪楞。之所以變成了流，這也是 TCP 自己的狀態(tài)維護(hù)做的事情侣灶。而 UDP 繼承了 IP 的特性甸祭，基于數(shù)據(jù)報的，一個一個地發(fā)褥影，一個一個地收池户。
還有 TCP 是可以有擁塞控制的。它意識到包丟棄了或者網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境不好了凡怎，就會根據(jù)情況調(diào)整自己的行為校焦，看看是不是發(fā)快了，要不要發(fā)慢點(diǎn)统倒。UDP 就不會寨典，應(yīng)用讓我發(fā)，我就發(fā)房匆，管它洪水滔天耸成。
因而 TCP 其實(shí)是一個有狀態(tài)服務(wù)报亩，通俗地講就是有腦子的，里面精確地記著發(fā)送了沒有井氢，接收到?jīng)]有弦追，發(fā)送到哪個了，應(yīng)該接收哪個了花竞，錯一點(diǎn)兒都不行劲件。而 UDP 則是無狀態(tài)服務(wù)。通俗地說是沒腦子的约急，天真無邪的零远，發(fā)出去就發(fā)出去了。
我們可以這樣比喻烤宙，如果 MAC 層定義了本地局域網(wǎng)的傳輸行為遍烦，IP 層定義了整個網(wǎng)絡(luò)端到端的傳輸行為俭嘁，這兩層基本定義了這樣的基因：網(wǎng)絡(luò)傳輸是以包為單位的躺枕，二層叫幀，網(wǎng)絡(luò)層叫包供填，傳輸層叫段拐云。我們籠統(tǒng)地稱為包。包單獨(dú)傳輸近她，自行選路叉瘩，在不同的設(shè)備封裝解封裝，不保證到達(dá)粘捎∞泵澹基于這個基因，生下來的孩子 UDP 完全繼承了這些特性攒磨，幾乎沒有自己的思想泳桦。
UDP 包頭是什么樣的？
我們來看一下 UDP 包頭娩缰。
前面章節(jié)我已經(jīng)講過包的傳輸過程灸撰，這里不再贅述。當(dāng)我發(fā)送的 UDP 包到達(dá)目標(biāo)機(jī)器后拼坎，發(fā)現(xiàn) MAC 地址匹配浮毯，于是就取下來，將剩下的包傳給處理 IP 層的代碼泰鸡。把 IP 頭取下來债蓝，發(fā)現(xiàn)目標(biāo) IP 匹配，接下來呢盛龄？這里面的數(shù)據(jù)包是給誰呢饰迹？
發(fā)送的時候器虾，我知道我發(fā)的是一個 UDP 的包，收到的那臺機(jī)器咋知道的呢蹦锋？所以在 IP 頭里面有個 8 位協(xié)議兆沙，這里會存放，數(shù)據(jù)里面到底是 TCP 還是 UDP莉掂，當(dāng)然這里是 UDP葛圃。于是，如果我們知道 UDP 頭的格式憎妙，就能從數(shù)據(jù)里面库正，將它解析出來。解析出來以后呢厘唾？數(shù)據(jù)給誰處理呢褥符？
處理完傳輸層的事情，內(nèi)核的事情基本就干完了抚垃，里面的數(shù)據(jù)應(yīng)該交給應(yīng)用程序自己去處理喷楣，可是一臺機(jī)器上跑著這么多的應(yīng)用程序，應(yīng)該給誰呢鹤树？
無論應(yīng)用程序?qū)懙氖褂?TCP 傳數(shù)據(jù)铣焊，還是 UDP 傳數(shù)據(jù)，都要監(jiān)聽一個端口罕伯。正是這個端口曲伊，用來區(qū)分應(yīng)用程序，要不說端口不能沖突呢追他。兩個應(yīng)用監(jiān)聽一個端口坟募，到時候包給誰呀？所以邑狸，按理說懈糯，無論是 TCP 還是 UDP 包頭里面應(yīng)該有端口號，根據(jù)端口號推溃，將數(shù)據(jù)交給相應(yīng)的應(yīng)用程序昂利。
當(dāng)我們看到 UDP 包頭的時候，發(fā)現(xiàn)的確有端口號铁坎，有源端口號和目標(biāo)端口號蜂奸。因?yàn)槭莾啥送ㄐ怕铮@很好理解硬萍。但是你還會發(fā)現(xiàn)扩所，UDP 除了端口號，再沒有其他的了朴乖。和下兩節(jié)要講的 TCP 頭比起來祖屏，這個簡直簡單得一塌糊涂爸蕖！
UDP 的三大特點(diǎn)
UDP 就像小孩子一樣袁勺，有以下這些特點(diǎn)：
第一雹食，溝通簡單，不需要一肚子花花腸子（大量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)期丰、處理邏輯群叶、包頭字段）。前提是它相信網(wǎng)絡(luò)世界是美好的钝荡，秉承性善論街立，相信網(wǎng)絡(luò)通路默認(rèn)就是很容易送達(dá)的，不容易被丟棄的埠通。
第二赎离，輕信他人。它不會建立連接端辱，雖然有端口號梁剔，但是監(jiān)聽在這個地方，誰都可以傳給他數(shù)據(jù)掠手，他也可以傳給任何人數(shù)據(jù)憾朴，甚至可以同時傳給多個人數(shù)據(jù)狸捕。
第三喷鸽，愣頭青，做事不懂權(quán)變灸拍。不知道什么時候該堅持做祝，什么時候該退讓。它不會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況進(jìn)行發(fā)包的擁塞控制鸡岗，無論網(wǎng)絡(luò)丟包丟成啥樣了混槐，它該怎么發(fā)還怎么發(fā)。
UDP 的三大使用場景
基于 UDP 這種“小孩子”的特點(diǎn)轩性，我們可以考慮在以下的場景中使用声登。
第一，需要資源少揣苏，在網(wǎng)絡(luò)情況比較好的內(nèi)網(wǎng)悯嗓，或者對于丟包不敏感的應(yīng)用。這很好理解卸察，就像如果你是領(lǐng)導(dǎo)脯厨，你會讓你們組剛畢業(yè)的小朋友去做一些沒有那么難的項(xiàng)目，打一些沒有那么難的客戶坑质，或者做一些失敗了也能忍受的實(shí)驗(yàn)性項(xiàng)目合武。
我們在第四節(jié)講的 DHCP 就是基于 UDP 協(xié)議的临梗。一般的獲取 IP 地址都是內(nèi)網(wǎng)請求，而且一次獲取不到 IP 又沒事稼跳，過一會兒還有機(jī)會盟庞。我們講過 PXE 可以在啟動的時候自動安裝操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)鏡像的下載使用的 TFTP汤善，這個也是基于 UDP 協(xié)議的茫经。在還沒有操作系統(tǒng)的時候，客戶端擁有的資源很少萎津，不適合維護(hù)一個復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)卸伞，而且因?yàn)槭莾?nèi)網(wǎng)，一般也沒啥問題锉屈。
第二荤傲，不需要一對一溝通，建立連接颈渊，而是可以廣播的應(yīng)用遂黍。咱們小時候人都很簡單，大家在班級里面俊嗽，誰成績好雾家，誰寫作好，應(yīng)該表揚(yáng)誰懲罰誰绍豁，誰得幾個小紅花都是當(dāng)著全班的面講的芯咧，公平公正公開。長大了人心復(fù)雜了竹揍，薪水敬飒、獎金要背靠背，和員工一對一溝通芬位。
UDP 的不面向連接的功能无拗，可以使得可以承載廣播或者多播的協(xié)議。DHCP 就是一種廣播的形式昧碉，就是基于 UDP 協(xié)議的英染，而廣播包的格式前面說過了。
對于多播被饿，我們在講 IP 地址的時候四康，講過一個 D 類地址，也即組播地址锹漱，使用這個地址箭养，可以將包組播給一批機(jī)器。當(dāng)一臺機(jī)器上的某個進(jìn)程想監(jiān)聽某個組播地址的時候哥牍，需要發(fā)送 IGMP 包毕泌，所在網(wǎng)絡(luò)的路由器就能收到這個包喝检，知道有個機(jī)器上有個進(jìn)程在監(jiān)聽這個組播地址。當(dāng)路由器收到這個組播地址的時候撼泛，會將包轉(zhuǎn)發(fā)給這臺機(jī)器挠说，這樣就實(shí)現(xiàn)了跨路由器的組播。
在后面云中網(wǎng)絡(luò)部分愿题，有一個協(xié)議 VXLAN损俭，也是需要用到組播，也是基于 UDP 協(xié)議的潘酗。
第三杆兵，需要處理速度快，時延低仔夺，可以容忍少數(shù)丟包琐脏，但是要求即便網(wǎng)絡(luò)擁塞，也毫不退縮缸兔，一往無前的時候日裙。記得曾國藩建立湘軍的時候，專門招出生牛犢不怕虎的新兵惰蜜，而不用那些“老油條”的八旗兵昂拂，就是因?yàn)榘似毂?jīng)歷的事情多，遇到敵軍不敢舍死忘生抛猖。
同理格侯，UDP 簡單、處理速度快樟结，不像 TCP 那樣养交，操這么多的心，各種重傳啊瓢宦，保證順序啊，前面的不收到灰羽，后面的沒法處理啊驮履。不然等這些事情做完了，時延早就上去了廉嚼。而 TCP 在網(wǎng)絡(luò)不好出現(xiàn)丟包的時候玫镐，擁塞控制策略會主動的退縮，降低發(fā)送速度怠噪，這就相當(dāng)于本來環(huán)境就差恐似，還自斷臂膀，用戶本來就卡傍念，這下更卡了矫夷。
當(dāng)前很多應(yīng)用都是要求低時延的葛闷，它們可不想用 TCP 如此復(fù)雜的機(jī)制，而是想根據(jù)自己的場景双藕，實(shí)現(xiàn)自己的可靠和連接保證淑趾。例如，如果應(yīng)用自己覺得忧陪，有的包丟了就丟了扣泊，沒必要重傳了，就可以算了嘶摊，有的比較重要延蟹，則應(yīng)用自己重傳，而不依賴于 TCP叶堆。有的前面的包沒到等孵，后面的包到了，那就先給客戶展示后面的嘛蹂空，干嘛非得等到齊了呢俯萌？如果網(wǎng)絡(luò)不好，丟了包上枕，那不能退縮啊咐熙，要盡快傳啊，速度不能降下來啊辨萍，要擠占帶寬棋恼，搶在客戶失去耐心之前到達(dá)。
由于 UDP 十分簡單锈玉，基本啥都沒做爪飘，也就給了應(yīng)用“城會玩”的機(jī)會。就像在和平年代拉背，每個人應(yīng)該有獨(dú)立的思考和行為师崎，應(yīng)該可靠并且禮讓；但是如果在戰(zhàn)爭年代椅棺，往往不太需要過于獨(dú)立的思考犁罩，而需要士兵簡單服從命令就可以了。
曾國藩說哪支部隊(duì)需要誘敵犧牲两疚，也就犧牲了床估，相當(dāng)于包丟了就丟了。兩軍狹路相逢的時候诱渤，曾國藩說上丐巫，沒有帶寬也要上，這才給了曾國藩運(yùn)籌帷幄，城會玩的機(jī)會递胧。同理如果你實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用需要有自己的連接策略碑韵，可靠保證，時延要求谓着，使用 UDP泼诱，然后再應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)這些是再好不過了。
基于 UDP 的“城會玩”的五個例子
我列舉幾種“城會玩”的例子赊锚。
“城會玩”一：網(wǎng)頁或者 APP 的訪問
原來訪問網(wǎng)頁和手機(jī) APP 都是基于 HTTP 協(xié)議的治筒。HTTP 協(xié)議是基于 TCP 的，建立連接都需要多次交互舷蒲，對于時延比較大的目前主流的移動互聯(lián)網(wǎng)來講耸袜，建立一次連接需要的時間會比較長，然而既然是移動中牲平，TCP 可能還會斷了重連堤框，也是很耗時的。而且目前的 HTTP 協(xié)議纵柿，往往采取多個數(shù)據(jù)通道共享一個連接的情況蜈抓，這樣本來為了加快傳輸速度，但是 TCP 的嚴(yán)格順序策略使得哪怕共享通道昂儒，前一個不來沟使，后一個和前一個即便沒關(guān)系，也要等著渊跋，時延也會加大腊嗡。
而 QUIC（全稱 Quick UDP Internet Connections，快速 UDP 互聯(lián)網(wǎng)連接）是 Google 提出的一種基于 UDP 改進(jìn)的通信協(xié)議拾酝，其目的是降低網(wǎng)絡(luò)通信的延遲燕少，提供更好的用戶互動體驗(yàn)。
QUIC 在應(yīng)用層上蒿囤，會自己實(shí)現(xiàn)快速連接建立客们、減少重傳時延，自適應(yīng)擁塞控制蟋软，是應(yīng)用層“城會玩”的代表镶摘。這一節(jié)主要是講 UDP，QUIC 我們放到應(yīng)用層去講岳守。
“城會玩”二：流媒體的協(xié)議
現(xiàn)在直播比較火，直播協(xié)議多使用 RTMP碌冶，這個協(xié)議我們后面的章節(jié)也會講湿痢，而這個 RTMP 協(xié)議也是基于 TCP 的。TCP 的嚴(yán)格順序傳輸要保證前一個收到了，下一個才能確認(rèn)譬重，如果前一個收不到拒逮，下一個就算包已經(jīng)收到了，在緩存里面臀规，也需要等著滩援。對于直播來講，這顯然是不合適的塔嬉，因?yàn)槔系囊曨l幀丟了其實(shí)也就丟了玩徊，就算再傳過來用戶也不在意了，他們要看新的了谨究，如果老是沒來就等著恩袱，卡頓了，新的也看不了胶哲，那就會丟失客戶畔塔，所以直播，實(shí)時性比較比較重要鸯屿，寧可丟包澈吨，也不要卡頓的。
另外寄摆，對于丟包谅辣，其實(shí)對于視頻播放來講，有的包可以丟冰肴，有的包不能丟屈藐，因?yàn)橐曨l的連續(xù)幀里面，有的幀重要熙尉，有的不重要联逻，如果必須要丟包，隔幾個幀丟一個检痰，其實(shí)看視頻的人不會感知包归，但是如果連續(xù)丟幀，就會感知了铅歼，因而在網(wǎng)絡(luò)不好的情況下公壤，應(yīng)用希望選擇性的丟幀。
還有就是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不好的時候椎椰，TCP 協(xié)議會主動降低發(fā)送速度厦幅，這對本來當(dāng)時就卡的看視頻來講是要命的，應(yīng)該應(yīng)用層馬上重傳慨飘，而不是主動讓步确憨。因而译荞，很多直播應(yīng)用，都基于 UDP 實(shí)現(xiàn)了自己的視頻傳輸協(xié)議休弃。
“城會玩”三：實(shí)時游戲
游戲有一個特點(diǎn)吞歼，就是實(shí)時性比較高∷快一秒你干掉別人篙骡，慢一秒你被別人爆頭，所以很多職業(yè)玩家會買非常專業(yè)的鼠標(biāo)和鍵盤丈甸，爭分奪秒糯俗。
因而，實(shí)時游戲中客戶端和服務(wù)端要建立長連接老虫，來保證實(shí)時傳輸叶骨。但是游戲玩家很多，服務(wù)器卻不多祈匙。由于維護(hù) TCP 連接需要在內(nèi)核維護(hù)一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)忽刽，因而一臺機(jī)器能夠支撐的 TCP 連接數(shù)目是有限的，然后 UDP 由于是沒有連接的夺欲，在異步 IO 機(jī)制引入之前跪帝，常常是應(yīng)對海量客戶端連接的策略。
另外還是 TCP 的強(qiáng)順序問題些阅，對戰(zhàn)的游戲伞剑，對網(wǎng)絡(luò)的要求很簡單，玩家通過客戶端發(fā)送給服務(wù)器鼠標(biāo)和鍵盤行走的位置市埋，服務(wù)器會處理每個用戶發(fā)送過來的所有場景黎泣，處理完再返回給客戶端，客戶端解析響應(yīng)缤谎，渲染最新的場景展示給玩家抒倚。
如果出現(xiàn)一個數(shù)據(jù)包丟失，所有事情都需要停下來等待這個數(shù)據(jù)包重發(fā)坷澡⊥信唬客戶端會出現(xiàn)等待接收數(shù)據(jù)，然而玩家并不關(guān)心過期的數(shù)據(jù)频敛，激戰(zhàn)中卡 1 秒项郊，等能動了都已經(jīng)死了。
游戲?qū)?shí)時要求較為嚴(yán)格的情況下斟赚，采用自定義的可靠 UDP 協(xié)議着降，自定義重傳策略，能夠把丟包產(chǎn)生的延遲降到最低拗军，盡量減少網(wǎng)絡(luò)問題對游戲性造成的影響鹊碍。
“城會玩”四：IoT 物聯(lián)網(wǎng)
一方面厌殉，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域終端資源少食绿，很可能只是個內(nèi)存非常小的嵌入式系統(tǒng)侈咕，而維護(hù) TCP 協(xié)議代價太大；另一方面器紧，物聯(lián)網(wǎng)對實(shí)時性要求也很高耀销，而 TCP 還是因?yàn)樯厦娴哪切┰驅(qū)е聲r延大。Google 旗下的 Nest 建立 Thread Group铲汪，推出了物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議 Thread熊尉，就是基于 UDP 協(xié)議的。
“城會玩”五：移動通信領(lǐng)域
在 4G 網(wǎng)絡(luò)里掌腰，移動流量上網(wǎng)的數(shù)據(jù)面對的協(xié)議 GTP-U 是基于 UDP 的狰住。因?yàn)橐苿泳W(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較復(fù)雜，而 GTP 協(xié)議本身就包含復(fù)雜的手機(jī)上線下線的通信協(xié)議齿梁。如果基于 TCP催植，TCP 的機(jī)制就顯得非常多余，這部分協(xié)議我會在后面的章節(jié)單獨(dú)講解勺择。
小結(jié)
好了创南，這節(jié)就到這里了，我們來總結(jié)一下：
如果將 TCP 比作成熟的社會人省核，UDP 則是頭腦簡單的小朋友稿辙。TCP 復(fù)雜，UDP 簡單气忠；TCP 維護(hù)連接邻储，UDP 誰都相信；TCP 會堅持知進(jìn)退旧噪；UDP 愣頭青一個吨娜，勇往直前；
UDP 雖然簡單舌菜，但它有簡單的用法萌壳。它可以用在環(huán)境簡單、需要多播日月、應(yīng)用層自己控制傳輸?shù)牡胤礁の汀＠?DHCP、VXLAN爱咬、QUIC 等尺借。
最后，給你留兩個思考題吧精拟。
都說 TCP 是面向連接的燎斩，在計算機(jī)看來虱歪，怎么樣才算一個連接呢？
你知道 TCP 的連接是如何建立栅表，又是如何關(guān)閉的嗎笋鄙？
歡迎你留言和討論。
