使用socket进行数据传输

作为一个程序员，假设我们需要在A电脑的进程发一段数据到B电脑的进程，我们一般会在代码里使用socket进行编程。

socket就像是一个电话或者邮箱（邮政的信箱）。当你想要发送消息的时候，拨通电话或者将信息塞到邮箱里，socket内核会自动完成将数据传给对方的这个过程。

基于socket我们可以选择使用TCP或UDP协议进行通信。

对于TCP这样的可靠性协议，每次消息发出后都能明确知道对方收没收到，就像打电话一样，只要"喂喂"两下就能知道对方有没有在听。

而UDP就像是给邮政的信箱寄信一样，你寄出去的信，根本就不知道对方有没有正常收到，丢了也是有可能的。

这让我想起了大概17年前，当时还没有现在这么发达的网购，想买一本《掌机迷》杂志，还得往信封里塞钱，然后一等就是一个月，好几次都怀疑信是不是丢了。我至今印象深刻，因为那是我和我哥攒了好久的钱。。。

回到socket编程的话题上。

创建socket的方式就像下面这样。

fd = socket(AF_INET, 具体协议,0);

注意上面的"具体协议"，如果传入的是SOCK_STREAM，是指使用字节流传输数据，说白了就是TCP协议。

TCP是什么

如果传入的是SOCK_DGRAM，是指使用数据报传输数据，也就是UDP协议。

UDP是什么

返回的fd是指socket句柄，可以理解为socket的身份证号。通过这个fd你可以在内核中找到唯一的socket结构。

如果想要通过这个socket发消息，只需要操作这个fd就行了，比如执行 send(fd, msg, ...)，内核就会通过这个fd句柄找到socket然后进行发数据的操作。

如果一切顺利，此时对方执行接收消息的操作，也就是 recv(fd, msg, ...)，就能拿到你发的消息。

udp发送接收过程

对于异常情况的处理

但如果不顺利呢？

比如消息发到一半，丢包了呢?

丢包的原因有很多，之前写过的《用了TCP协议，就一定不会丢包吗？》有详细聊到过，这里就不再展开。

那UDP和TCP的态度就不太一样了。

UDP表示，"哦，是吗？然后呢？关我x事"

TCP态度就截然相反了，"啊？那可不行，是不是我发太快了呢？是不是链路太堵被别人影响到了呢？不过你放心，我肯定给你补发"

TCP老实人石锤了。我们来看下这个老实人在背后都默默做了哪些事情。

重传机制

对于TCP，它会给发出的消息打上一个编号（sequence），接收方收到后回一个确认(ack)。发送方可以通过ack的数值知道接收方收到了哪些sequence的包。

如果长时间等不到对方的确认，TCP就会重新发一次消息，这就是所谓的重传机制。

TCP重传

流量控制机制

但重传这件事本身对性能影响是比较严重的，所以是下下策。

于是TCP就需要思考有没有办法可以尽量避免重传。

因为数据发送方和接收方处理数据能力可能不同，因此如果可以根据双方的能力去调整发送的数据量就好了，于是就有了发送和接收窗口，基本上从名字就能看出它的作用，比如接收窗口的大小就是指，接收方当前能接收的数据量大小，发送窗口的大小就指发送方当前能发的数据量大小。TCP根据窗口的大小去控制自己发送的数据量，这样就能大大减少丢包的概率。

流量控制机制

滑动窗口机制

接收方的接收到数据之后，会不断处理，处理能力也不是一成不变的，有时候处理的快些，那就可以收多点数据，处理的慢点那就希望对方能少发点数据。毕竟发多了就有可能处理不过来导致丢包，丢包会导致重传，这可是下下策。因此我们需要动态的去调节这个接收窗口的大小，于是就有了滑动窗口机制。

看到这里大家可能就有点迷了，流量控制和滑动窗口机制貌似很像，它们之间是啥关系？我总结一下。其实现在TCP是通过滑动窗口机制来实现流量控制机制的。

滑动窗口机制

拥塞控制机制

但这还不够，有时候发生丢包，并不是因为发送方和接收方的处理能力问题导致的。而是跟网络环境有关，大家可以将网络想象为一条公路。马路上可能堵满了别人家的车，只留下一辆车的空间。那就算你家有5辆车，目的地也正好有5个停车位，你也没办法同时全部一起上路。于是TCP希望能感知到外部的网络环境，根据网络环境及时调整自己的发包数量，比如马路只够两辆车跑，那我就只发两辆车。但外部环境这么复杂，TCP是怎么感知到的呢？

TCP会先慢慢试探的发数据，不断加码数据量，越发越多，先发一个，再发2个，4个…。直到出现丢包，这样TCP就知道现在当前网络大概吃得消几个包了，这既是所谓的拥塞控制机制。

不少人会疑惑流量控制和拥塞控制的关系。我这里小小的总结下。流量控制针对的是单个连接数据处理能力的控制，拥塞控制针对的是整个网络环境数据处理能力的控制。

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分段机制

但上面提到的都是怎么降低重传的概率，似乎重传这个事情就是无法避免的，那如果确实发生了，有没有办法降低它带来的影响呢？

有。当我们需要发送一个超大的数据包时，如果这个数据包丢了，那就得重传同样大的数据包。但如果我能将其分成一小段一小段，那就算真丢了，那我也就只需要重传那一小段就好了，大大减小了重传的压力，这就是TCP的分段机制。

而这个所谓的一小段的长度，在传输层叫MSS（Maximum Segment Size），数据包长度大于MSS则会分成N个小于等于MSS的包。

MSS分包

而在网络层，如果数据包还大于MTU（Maximum Transmit Unit），那还会继续分包。

MTU分包

一般情况下，MSS=MTU-40Byte，所以TCP分段后，到了IP层大概率就不会再分片了。

MSS和MTU的区别

乱序重排机制

既然数据包会被分段，链路又这么复杂还会丢包，那数据包乱序也就显得不奇怪了。比如发数据包1,2,3。1号数据包走了其他网络路径，2和3数据包先到，1数据包后到，于是数据包顺序就成了2,3,1。这一点TCP也考虑到了，依靠数据包的sequence，接收方就能知道数据包的先后顺序。

后发的数据包先到是吧，那就先放到专门的乱序队列中，等数据都到齐后，重新整理好乱序队列的数据包顺序后再给到用户，这就是乱序重排机制。

乱序队列等待数据包的到来

连接机制

前面提到，UDP是无连接的，而TCP是面向连接的。

这里提到的连接到底是啥？

TCP通过上面提到的各种机制实现了数据的可靠性。这些机制背后是通过一个个数据结构来实现的逻辑。而为了实现这套逻辑，操作系统内核需要在两端代码里维护一套复杂的状态机（三次握手，四次挥手，RST，closing等异常处理机制），这套状态机其实就是所谓的"连接"。这其实就是TCP的连接机制，而UDP用不上这套状态机，因此它是"无连接"的。

网络环境链路很长，还复杂，数据丢包是很常见的。

我们平常用TCP做各种数据传输，完全对这些事情无感知。

哪有什么岁月静好，是TCP替你负重前行。

这就是TCP三大特性"面向连接、可靠的、基于字节流"中"可靠"的含义。

不信你改用UDP试试，丢包那就是真丢了，丢到你怀疑人生。

用UDP就一定比用TCP快吗？

这时候UDP就不服了："正因为没有这些复杂的TCP可靠性机制，所以我很快啊"

嗯，这也是大部分人认为UDP比TCP快的原因。

实际上大部分情况下也确实是这样的。这话没毛病。

那问题就来了。

有没有用了UDP但却比TCP慢的情况呢？

其实也有。

在回答这个问题前，我需要先说下UDP的用途。

实际上，大部分人也不会尝试直接拿裸udp放到生产环境中去做项目。

那UDP的价值在哪？

在我看来，UDP的存在，本质是内核提供的一个最小网络传输功能。

很多时候，大家虽然号称自己用了UDP，但实际上都很忌惮它的丢包问题，所以大部分情况下都会在UDP的基础上做各种不同程度的应用层可靠性保证。比如王者农药用的KCP，以及最近很火的QUIC（HTTP3.0），其实都在UDP的基础上做了重传逻辑，实现了一套类似TCP那样的可靠性机制。

教科书上最爱提UDP适合用于音视频传输，因为这些场景允许丢包。但其实也不是什么包都能丢的，比如重要的关键帧啥的，该重传还得重传。除此之外，还有一些乱序处理机制。举个例子吧。

打音视频电话的时候，你可能遇到过丢失中间某部分信息的情况，但应该从来没遇到过乱序的情况吧。

比如对方打网络电话给你，说了："我好想给小白来个点赞在看！"

这时候网络信号不好，你可能会听到"我….点赞在看"。

但却从来没遇到过"在看小白好想赞"这样的乱序场景吧？

所以说，虽然选择了使用UDP，但一般还是会在应用层上做一些重传机制的。

于是问题就来了，如果现在我需要传一个特别大的数据包。

在TCP里，它内部会根据MSS的大小分段，这时候进入到IP层之后，每个包大小都不会超过MTU，因此IP层一般不会再进行分片。这时候发生丢包了，只需要重传每个MSS分段就够了。

TCP分段

但对于UDP，其本身并不会分段，如果数据过大，到了IP层，就会进行分片。此时发生丢包的话，再次重传，就会重传整个大数据包。

UDP不分段

对于上面这种情况，使用UDP就比TCP要慢。

当然，解决起来也不复杂。这里的关键点在于是否实现了数据分段机制，使用UDP的应用层如果也实现了分段机制的话，那就不会出现上述的问题了。

总结

TCP为了实现可靠性，引入了重传机制、流量控制、滑动窗口、拥塞控制、分段以及乱序重排机制。而UDP则没有实现，因此一般来说TCP比UDP慢。

TCP是面向连接的协议，而UDP是无连接的协议。这里的"连接"其实是，操作系统内核在两端代码里维护的一套复杂状态机。

大部分项目，会在基于UDP的基础上，模仿TCP，实现不同程度的可靠性机制。比如王者农药用的KCP其实就在基于UDP在应用层里实现了一套重传机制。

对于UDP+重传的场景，如果要传超大数据包，并且没有实现分段机制的话，那数据就会在IP层分片，一旦丢包，那就需要重传整个超大数据包。而TCP则不需要考虑这个，内部会自动分段，丢包重传分段就行了。这种场景下，其实TCP更快。