浅谈网络 | 传输层之UDP协议

TCP 和 UDP 有哪些区别？

大部分人会想到：TCP 是面向连接的，UDP 是面向无连接的。

什么是面向连接？
面向连接的协议在通信之前会先建立连接。例如，TCP 通过三次握手建立连接，而 UDP 则无需如此。这么一看，似乎 TCP 的“三次握手”也可以被 UDP 模仿，简单发三个包就行了。那么，二者有何不同？

建立连接的本质是为了在客户端和服务端之间维护一个连接状态，并通过一定的数据结构记录交互状态。这些状态维护为 TCP 提供了所谓“面向连接”的能力。

TCP 的特性

可靠交付

TCP 提供可靠的数据传输，保证数据无差错、不丢失、不重复，并按序到达。相比之下，IP 包本身不具备可靠性，一旦丢失，便无法挽回。而 TCP 则通过状态维护和机制补偿，实现了可靠传输。
面向字节流

TCP 是面向字节流的协议，数据被抽象为一个连续的流，收发时没有明确的分段。虽然底层仍然依赖 IP 包（一个一个地发送），但 TCP 通过状态管理，将其抽象成一个完整的数据流。而 UDP 直接继承了 IP 包的特性，按数据报发送，每个报文独立处理。
拥塞控制

TCP 能根据网络状况进行流量控制。例如，发现丢包或网络质量恶化时，它会调整发送速率，避免进一步加剧拥堵。UDP 则完全不管这些——应用让我发多少，我就发多少，不考虑网络的承受能力。
有状态服务

TCP 是有状态的，它精确记录了已经发送和接收的数据状态，比如：发送到哪里了？接收到了什么？应该接收哪些？任何差错都会被捕获和修复。UDP 则是无状态的，简单发送，不关心是否丢包、是否按序到达。

UDP 的特性
UDP 简单地继承了 IP 包的特性，基本不维护状态，发送和接收全靠应用层自己处理。它的特点可以总结为：

不保证可靠性：丢包、错包都可能发生，UDP 不会纠正这些问题。
不保证顺序：数据可能乱序到达，应用层需要自己排序。
基于数据报：UDP 直接处理每个独立报文，不会抽象为流。
无拥塞控制：UDP 不关心网络情况，不会主动调整发送速率。

对比总结
可以简单比喻：

TCP 是有“脑子”的协议，它通过状态维护和机制保证可靠、流畅的数据传输。
UDP 是“没脑子”的协议，它只负责把数据发出去，其他问题完全不管。

如果把网络通信比作家庭，MAC 层负责定义局域网络的行为，IP 层定义整个网络端到端的传输行为。这两层奠定了通信的“基因”：以包为单位传输，包的单独选路和传递不保证可靠性。基于这些基因，UDP 完全继承了特性，几乎没有自己的思想。而 TCP 则在此基础上，通过复杂的状态管理，成为了更智能的协议。

UDP 包头解析

在讨论 UDP 包头之前，我们需要理解数据包的传输过程：

当一个 UDP 数据包到达目标机器时，MAC 层首先验证包的目标 MAC 地址是否匹配。如果匹配，它会剥离 MAC 层头部，并将剩余部分传递给IP 层。IP 层检查 IP 包头中的目标 IP 地址是否匹配当前机器。如果匹配，IP 层会继续解析，判断数据包应该交由哪个协议处理。

IP 包头的作用
在 IP 包头中，有一个 8 位协议字段，用于标识当前传输的协议类型，例如 TCP 或 UDP。如果该字段指向 UDP，系统会将 IP 头剥离，并将剩下的部分交给 UDP 协议进行处理。

UDP 包头的作用
当 IP 层交出 UDP 数据后，UDP 层需要解析自己的包头。那么 UDP 包头的内容是什么样的呢？

端口号
UDP 包头中有两个端口号字段：
- 源端口号：表示数据来自哪个端口。
- 目标端口号：表示数据要发往哪个端口。
  正是通过目标端口号，系统能够将数据交给对应监听该端口的应用程序。
长度字段
表示整个 UDP 数据报的长度，包括 UDP 包头和数据的总长度。
校验和

UDP 提供了简单的错误检测机制，利用校验和字段确保数据传输的完整性。尽管 UDP 不负责重传或纠正错误，但校验和可以帮助检测数据是否被破坏。

UDP 包头格式
UDP 包头固定为 8 字节，结构如下图。

在这里插入图片描述
UDP 包头特点
与 TCP 包头相比，UDP 包头非常简单，仅包含必要信息。没有复杂的状态管理字段，也没有用于重传的机制。正因为如此，UDP 的数据传输效率较高，适用于实时性要求强的场景（如视频流、在线游戏等）。

总结
UDP 包头的设计简洁高效，核心作用是：

使用端口号确定数据的目标应用程序。
使用校验和检查数据完整性。

尽管 UDP 不提供可靠性和顺序保证，但其轻量化的特性使得它成为对传输效率要求较高场景的首选。与之相比，TCP 的包头则包含了更多状态管理信息，为复杂的数据传输提供支持。

UDP 的三大特点

UDP 就像个简单直白的小孩子，有以下三个显著特点：

沟通简单

UDP 没有复杂的“花花肠子”，省去了繁琐的连接建立和状态维护。它的设计非常简洁：
- 没有冗长的包头：仅包含端口号、长度和校验和字段。
- 没有复杂的机制：不需要考虑重传、流量控制等逻辑。

它天真地相信网络世界是美好的，数据包发出去就能到达目的地，丢包和错误是小概率事件。因此，它的通信效率极高。

不设防的信任
UDP 不需要像 TCP 那样建立连接：
- 任何人都可以通过端口发送数据给它。
- 它也可以毫无顾忌地向任何人发送数据，甚至能同时广播给多个目标。

这种“开放式”的沟通方式让 UDP 非常灵活，但也意味着它缺乏安全性和可靠性。

坚持到底的“愣头青”
UDP 从不根据网络环境调整自己的行为：
- 不关心拥塞控制：即使网络已经挤得喘不过气，它也会按照应用要求的速率继续发包。
- 不考虑丢包情况：数据丢失时，它不会重发，交给应用自己处理。

这种“不懂变通”的性格让 UDP 非常适合对实时性要求高的场景，比如在线直播、实时游戏等。

UDP 的三大使用场景

基于 UDP 的简单高效和“不拘小节”，它适用于以下场景：

资源受限，容忍失败的内网应用

UDP 的设计简单，不需要大量资源，非常适合内网环境或者对丢包不敏感的场景。
比如：
- DHCP：动态获取 IP 地址的协议。因为内网环境可靠性较高，即使丢包也可以重新尝试，适合使用 UDP。
- PXE 和 TFTP：在操作系统未加载前，资源受限的设备需要轻量级协议下载操作系统镜像，UDP 的简洁正是它们的最佳选择。

在这些场景中，UDP 像“初出茅庐的新人”，虽然简单，但足以应对没有复杂需求的项目。

广播和多播的通信需求

UDP 的无连接特性，非常适合广播和多播场景。
例如：
- 广播（DHCP）：DHCP 使用广播让局域网中的设备接收地址分配请求。
- 多播（组播地址 D 类 IP）：支持一对多通信，例如 VXLAN 协议通过 UDP 实现跨路由器的组播。

这种“公开透明”的特性，让 UDP 成为广播和多播协议的基础。而 TCP 的连接机制决定了它只能用于一对一通信，不适合这种场景。、

低时延、高实时性、容忍丢包的应用

UDP 的轻量级和简单性，使其非常适合对时延敏感、追求实时性且能容忍少量丢包的应用场景。
比如：
- 在线游戏：实时游戏需要尽可能快地传输位置信息和动作指令，少量丢包对体验影响不大。
- 实时视频/音频流：直播或视频通话，时延比丢包更关键，宁可画面模糊、声音断续，也不能拖延。

这些场景中，UDP 的“不讲究”反而成为优势。TCP 在丢包时的重传和拥塞控制会拖慢传输速度，而 UDP 则坚持“能发多少发多少”，即使网络环境恶劣，也不轻易退缩。