怎么用 UDP 实现 TCP?

原创
04/22 22:04
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本篇来自于我的一次真实面试经历。

背景

本题是我在面试中,技术总监问我的一道真题,当时答得不太好,所以把它揪出来总结了下。后来问了下总监,总监说这是阿里的面试题。。

其实面试官主要是想让我说出 UDP 和 TCP 的原理上的区别,怎么给 UDP 加些功能实现 TCP。

看好去很容易就能说出一两个 TCP 和 UDP 的区别,但如果能用女朋友都能听懂的方式该怎么说呢?

女朋友:我不想听课本上讲的!我听不懂呀~

下面我会以大白话的方式来解答上面的问题。

UDP 的特点

UDP 让我想起了刚毕业参加工作那会,一名毕业菜鸟。

  • 沟通简单

领导安排的任务,直接干就完了。

UDP 也是,相信网络世界永远是美好的,我发送的包是很容易送到的,接收方也是很容易组装的。数据结构也很简单,不需要大量的数据结构、处理逻辑、包头字段。

  • 轻信他人

测试人员报的 bug 我也不会和她争论什么,永远相信测试人员是对的,测试人员说啥就是啥,我改就是。

UDP 也是,不会建立连接,有个端口号,谁都可以监听这个端口号往上面发数据。也可以从这个端口号传给任何人数据。反正我只管发就是。

  • 不会讨价还价

产品经理昨天说手机壳需要根据心情变色,测试人员说这个 bug 要把关联的两个 bug 一起修掉。那就按照他们说的做吧!

UDP 也是,不懂坚持和退让。也就是根据网络情况进行拥塞控制。无论网络丢包多严重,我还是照样发~

UDP 使用场景

针对像我那时候毕业菜鸟的情况,领导给我安排了三种工作环境让我选。

  • 内部系统,任务简单,模块单一,不需要考虑代码的关联影响,即使失败了也没有关系。

UDP 也是,需要资源少,网络情况比较好的内网,或者对于丢包不敏感的应用。

  • 有一个强力的团队支持,都是中高级开发、测试人员,团队成员打过很多年交道,互相信任。有什么问题, 吼一嗓子就可以了

UDP 也是,不需要一对一沟通来建立连接,可以广播的应用。

  • 一个新项目,需要有激情,对于刚毕业的菜鸟,都是有很强的自主能动性的,也不会耍滑头,躲在厕所玩手机,带薪拉shi ?即使项目不忙,我也抓紧时间干。项目忙,还是一样干!

UDP 也是,猛着发包就是,主要应用在需要处理速度快,时延低,可以容忍少数丢包的情况。即使网络情况不佳,发包就是~

针对上面的三大场景,UDP 常用在实时竞技游戏,IoT 物联网,移动通信领域。

TCP 的特点?

  • 面向连接

TCP 和 UDP 是传输层里面比较重要的两个协议。大部分面试的时候都会问到两者的区别。而大部分都会两句,比如 TCP 是面向连接的,UDP 是面向无连接。

那什么是面向连接?

TCP 三次握手是我们常常念叨和背诵的。而在这三次握手成功后,就是建立连接成功。

那什么又叫面向呢?

我们也常听到面向对象编程、面向切面编程、面向服务编程。那到底什么是面向?

在我看来 面向 就是遵循一定的协议、规范、数据结构等来做一系列事情。

比如面向连接,就是为了在客户端和服务端维护连接,而建立一定的数据结构来维护双方交互的状态,用这样的数据来保证所谓的面向连接的特性。

知道了 TCP 的是用三次握手来建立连接,那我们是否可以让 UDP 也发三个包来模拟 TCP 建立连接?可以是可以,但是如果只是建立,而不是面向连接,其实意义不大。

那 TCP 面向连接做了哪些事情?

TCP 提供可靠交付,通过 TCP 连接传输的数据,可以无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。而 UDP 继承了 IP 包的特性,不保证不丢失,不保证按顺序到达。

  • 面向字节流

TCP 是面向字节流,所谓字节流,就是发的是一个流,没头没尾。TCP 自己维护流状态。

UDP 基于 IP 数据报,一个一个地发,一个一个地收。

  • 拥塞控制

TCP 拥有拥塞控制,如果包丢弃了或者网络环境不好了,就会根据网络情况自行控制自己的行为,看下是发快点还是发慢点。

UDP 则没有这么智能了, 你让我发,我就发呗,反正是你让我发的,其他的一概不管~

  • 有状态服务

TCP 是一个有状态的服务,有状态可以理解为:我记录了哪些发送了,哪些没有发送,哪些接收到了,哪些没接收到,应该接收哪个了,一点差错都不行。TCP 干的事情可真多!

而 UDP 则不是有状态的服务,我只管发,其他的就交给接收端吧,有点任性是吧?

如何让 UDP 实现 TCP 功能?

建立连接上面已经讲到了,三次握手和四次握手,UDP 也可以模拟去做。

那下面还有几个问题:

  • 顺序问题

  • 丢包问题

  • 流量控制

  • 拥塞控制

TCP 的数据结构长这样:

其实如果你能把这些结构讲清楚,就已经理解了 TCP 的核心功能。下面我还是用大白话的方式来讲解上面的四个问题。

顺序问题和丢包问题可以利用确认重发的机制。假如包收到了,可以做一个确认,发送一个 ACK 给发送端,告诉他我收到了。假如有的包提前到了,就缓存着。假如有包丢失了,就可以超时重试。超时重试不宜过短,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,如果超时时间过长,访问就变慢了。那怎么确定这个时间,可以通过采样 RTT 的时间,进行加权平均。还需要根据网络状况,动态变化。可以了解下自适应重传算法。

流量控制就是根据网络情况调整发包的速率。利用的是滑动窗口。在对于包的确认中,同时会携带一个窗口的大小,只要利用好这个窗口大小,就能很好地调整发包速率,发的报文段不要超过窗口的大小就 OK。(图片来源网络)

拥塞控制主要用来避免包丢失和超时重传,如果出现了这两种现象,就说明发的速率太快了。那最开始怎么知道发送速率呢?其实开始时只发送一个报文段数据,如果收到一个确认,则倍增报文段,依次类推。当发现超时重传时,就又回到只发送一个报文段的情况,这个就是慢启动,这种方式不合适。其实还有一种快速重传算法,简单来说就是拥塞窗口减半,后续线性增速。针对于算法怎么实现的,这里就不展开讲述了。(图片来源网络)

至此,我用大白话的方式讲解了 UDP 和 TCP 的区别,以及 UDP 缺什么功能,需要怎么去弥补才能实现 TCP 的功能。相信这样回答的思路可以让面试官觉得还是有点东西的。

巨人的肩膀:

《趣谈网络协议》

《计算机网络》

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