TCP 和 UDP 特点和区别

Question

区别

• 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。UDP 不需要建立连接，不保证不丢失，不保证按顺序到达
• TCP 是面向字节流的，UDP 面向报文
• 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。 解决了包丢失和超时重传
• TCP 是一个有状态服务。它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
• UDP 适用于 直播、游戏等 多对多一对多、实时性要求高的地方

TCP 特点

顺序问题，丢包问题，连接维护，流量控制，拥塞控制

顺序问题

原理：滑动窗口

为了保证顺序性，每一个包都有一个 ID。在建立连接的时候，会商定起始的 ID 是什么，然后按照 ID 一个个发送。为了保证不丢包，对于发送的包都要进行应答，但是这个应答也不是一个一个来的，而是会应答某个之前的 ID，表示都收到了，这种模式称为 累计应答

为了记录所有发送的包和接收的包，TCP 也需要发送端和接收端分别都有缓存来保存这些记录。

发送端的缓存里是按照包的 ID 一个个排列，根据处理的情况分成四个部分

• 发送并确认
• 发送没确认
• 等待发送
• 不发送

接收端

• 接受未确认
• 接收未确认
• 无法接收

丢包问题

原理：滑动窗口

超时重试：

即对每一个发送了，但是没有 ACK 的包，都有设一个定时器，超过了一定的时间，就重新尝试。但是这个超时的时间如何评估呢？这个时间不宜过短，时间必须大于往返时间 RTT，否则会引起不必要的重传。也不宜过长，这样超时时间变长，访问就变慢了。

TCP 的策略：超时间隔加倍。每当遇到一次超时重传的时候，都会将下一次超时时间间隔设为先前值的两倍。两次超时，就说明网络环境差，不宜频繁反复发送。

快速重传的机制：

当接收方收到一个序号大于下一个所期望的报文段时，就检测到了数据流中的一个间格，于是发送三个冗余的 ACK，客户端收到后，就在定时器过期之前，重传丢失的报文段。

比如：接收方发现 6、8、9 都已经接收了，就是 7 没来，那肯定是丢了，于是发送三个 6 的 ACK，要求下一个是 7。客户端收到 3 个 6，就会发现 7 的确又丢了，不等超时，马上重发。

流量控制

原理：滑动窗口

发送方会定时发送窗口探测数据包，看是否有机会调整窗口的大小。当接收方比较慢的时候，要防止低能窗口综合征，别空出一个字节来就赶快告诉发送方，然后马上又填满了，可以当窗口太小的时候，不更新窗口，直到达到一定大小，或者缓冲区一半为空，才更新窗口。

拥塞控制

原理：拥塞窗口

前面的滑动窗口 rwnd 是怕发送方把接收方缓存塞满，而拥塞窗口 cwnd，是怕把网络塞满。

作用：包丢失、超时重传

慢启动

1. 第一阶段：指数增长。一条 TCP 连接开始，cwnd 设置为一个报文段，一次只能发送一个；当收到这一个确认的时候，cwnd 加一，于是一次能够发送两个；当这两个的确认到来的时候，每个确认 cwnd 加一，两个确认 cwnd 加二，于是一次能够发送四个；当这四个的确认到来的时候，每个确认 cwnd 加一，四个确认 cwnd 加四，于是一次能够发送八个。
2. 有一个值 ssthresh 为 65535 个字节，当超过这个值的时候就要慢下来
3. 第二阶段：线性增长。每收到一个确认后，cwnd 增加 1/cwnd，我们接着上面的过程来，一次发送八个，当八个确认到来的时候，每个确认增加 1/8，八个确认一共 cwnd 增加 1，于是一次能够发送九个，变成了线性增长。
4. 当触发拥塞（发生丢包时）会超时重传。
   • 此时按照 又按照 指数增长方式，从 2 的 0 次方开始发包
   • 此时也可以使用 快速重传的机制

拥塞控制的缺陷

1. 丢包并不代表着通道满了，也可能是管子本来就漏水。例如公网上带宽不满也会丢包，这个时候就认为拥塞其实是不对的。
2. TCP 的拥塞控制要等到将中间设备都填充满了，才发生丢包，从而降低速度，这时候已经晚了。其实 TCP 只要填满管道就可以了，不应该接着填，直到连缓存也填满。
3. TCP BBR 拥塞算法 解决了以上问题：它企图找到一个平衡点，就是通过不断的加快发送速度，将管道填满，但是不要填满中间设备的缓存，因为这样时延会增加，在这个平衡点可以很好的达到高带宽和低时延的平衡。