TCP UDP探索

最近开发新接口,为实现更高的性能,深入考察了下TCP,UDP通信协议。之前的开发当中都是基于HTTP的接口开发,简单易用,各个编程语言都支持;web服务器、中间件成熟,方便扩展;支持安全加密等等。与自定义Socket通信相比,HTTP仍然不够高效。

TCP协议,也叫传输控制协议(Transmission Control Protocol)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。每建立一个TCP连接需要三次握手,关闭时又需要四次握手;传输过程当中,每发送一个包,都要接收一个确认回复,如果在一定时间内未收到,则重发,如果是同一块数据分包传输,则回复所需要的包序号;在发送和接收时都要计算校验和。由于有严格的数据包传输顺序和校验,因为接收到的数据将会是顺序。

UDP协议,也叫用户数据报协议(User Datagram Protocol)是一个简单的面向数据报的传输层协议。它只管数据包发送,并不没有TCP的连接控制、回复确认,并不知道对方是否接收成功。因为并不等待接收方回复,发送端可以连续发送数据,接收端接收到数据并不一定是顺序的。因此相比TCP,UDP的有更高的传输效率,更低的可靠性。如果需要可靠性,则需要发送确认包,类似TCP那样子。

通常HTTP协议基于TCP实现,保证收到的内容是完整、顺序的。在HTTP 1.0时,每一次请求都需要建立TCP连接,关闭TCP连接;在HTTP 1.1时,同一TCP连接则可以在活跃(Keep-Live)间期内复用。HTTP是无连接的,每次处理完成请求即断开连接,一方面可以节省服务器资源,另一方面却浪费连接时间。如果需要维持客户端的Keep-Alive状态,则又需要消耗更多服务器资源,需要权衡。

WebSocket是基于TCP 连接上进行全双工通讯的协议,允许服务端直接向浏览器发送消息,不再需要ajax轮询。它也是在TCP上面的实现,使用类似HTTP请求的握手协议,进行TCP通信切换。WebRTC,也叫Web即时通信(Web Real-Time Communication),则是一个支持浏览器之间进行实时语音对话或视频对话的API。它是建立于TCP/UDP之上的点对点通信,客户端基于上层RTCDataChannel进行通信而非底层TCP/UDP。

Google推出了基于UDP的QUIC协议(快速UDP网络连接)实现的HTTP传输,可以快速在两个端点间创建连接,支持多路复用连接。对于丢包问题,则采用冗余传输,能够根据接收到的包,对缺失的包进行恢复(类似RAID)。对于一个TCP连接,需要四个参数:源IP/端口,目的IP/端口,任何一个改变都需要重新建立连接。QUIC则不需要这些,因为UDP并不需要来源信;它使用UUID来标识一个连接,只要这个UUID在,那么这个连接会话就能够继续(与HTTP会话有点像)。因此在不同网络,特别是移动网络之间的切换,都将保持稳定(参考:Mosh)。目前Google的网站已经支持,并可以在Chrome浏览器的里面查看连接情况:chrome://net-internals/#quic。

通常说TCP是可靠连接,可用于数据流,复杂网络情况;UDP由于缺少确认机制等,属不可靠连接,通常应用于网络情况良好(内部)或者允许丢包的场景。事实上UDP也应用于游戏,VoIP等需要高效传输的场景。当网络状况糟糕时,使用TCP通信反而可能更差,因为需要更多步骤建立连接和确认。参考这里:QQ 为什么采用 UDP 协议,而不采用 TCP 协议实现?。TCP连接是有状态的,服务端需要去维持,及TIME_WAIT问题。如果连接一段时间没用,TCP并不能感知连接是否仍然有效,需要自定义心跳包,维持连接。UDP则是无连接状态的,只要知道目标IP及端口即可以发送。

UDP通信简单许多,不需要socket_connect和socket_connect,主动暴露一端(服务端)需要socket_bind。例如,服务端:

<?php
$socket = stream_socket_server("udp://127.0.0.1:1113", $errno, $errstr, STREAM_SERVER_BIND);
if (!$socket) {
    die("$errstr ($errno)");
}

do {
    $pkt = stream_socket_recvfrom($socket, 1024, 0, $peer);
    echo "$peer,$pkt\n";
    //客户端互相通信时,注释下面一行
    stream_socket_sendto($socket, date("D M j H:i:s Y\r\n"), 0, $peer);
} while ($pkt !== false);

客户端:

<?php
$sock = socket_create(AF_INET, SOCK_DGRAM, SOL_UDP);

$msg = "Ping !";
$len = strlen($msg);

socket_sendto($sock, $msg, $len, 0, '127.0.0.1', 1113);

//sleep(30)
$res = socket_recv( $sock , $reply , 2045 , MSG_WAITALL);
echo $reply;

socket_close($sock);

服务端的代码里面有个stream_socket_sendto(或者socket_sendto),向客户端发送消息。UDP并不需要向客户端回复消息,这并像TCP在同一个连接里面回复,而是另一次UDP通信罢了。实际上,两个客户端之间就能够互相通信(分别使用不同端口),任何能够拿到对方IP和端口,都能够向其发送消息。复制客户端代码,更改目标IP和端口为服务端打印出来的信息,然后运行,原先的客户端也将收到消息。利用中间服务器交换两个客户端的IP和端口,以便直接通信,是NAT穿透常用的方法。

综上,使用TCP可以保证数据可靠传输,复用连接,比如请求-应答模型;使用UDP则可以更高效发送数据,但能容忍部分丢包的场景,比如视频画面;或者只发送不需响应的数据,比如日志;或者无需连接状态的场景(类似HTTP会话),减少服务器压力和客户端等待。当然,也可以在UDP基础上自定义传输规则,实现譬如Mosh或则TCP那样的应用。选择TCP或者UDP,应该综合考虑使用场景,网络,数据包大小,效率,安全等,而不是盲从字面上的“面向可靠的”或者“不可靠的”或者“高效的”。

参考链接:
如何理解HTTP协议的 “无连接,无状态” 特点?
Google’s QUIC protocol: moving the web from TCP to UDP(Google QUIC协议:从TCP到UDP的Web平台
如何看待谷歌 Google 打算用 QUIC 协议替代 TCP/UDP? – 回答作者: Trotyl Yu
How Mosh works
使用TCP协议的NAT穿透技术
PHP Socket通信
日志系统设计
可靠 UDP 传输
DDOS(拒绝服务攻击)
php使用socket感悟–tcp和udp
UDP socket programming in php
Does WebRTC use TCP or UDP?

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