阿里終面：怎么用 UDP 實(shí)現(xiàn) TCP？

背景

本題是我在面試中，技術(shù)總監(jiān)問(wèn)我的一道真題，當(dāng)時(shí)答得不太好，所以把它揪出來(lái)總結(jié)了下。后來(lái)問(wèn)了下總監(jiān)，總監(jiān)說(shuō)這是阿里的面試題。。

其實(shí)面試官主要是想讓我說(shuō)出 UDP 和 TCP 的原理上的區(qū)別，怎么給 UDP 加些功能實(shí)現(xiàn) TCP。

看好去很容易就能說(shuō)出一兩個(gè) TCP 和 UDP 的區(qū)別，但如果能用女朋友都能聽懂的方式該怎么說(shuō)呢？

女朋友：我不想聽課本上講的！我聽不懂呀~

下面我會(huì)以大白話的方式來(lái)解答上面的問(wèn)題。

UDP 的特點(diǎn)

UDP 讓我想起了剛畢業(yè)參加工作那會(huì)，一名畢業(yè)菜鳥。

• 溝通簡(jiǎn)單

領(lǐng)導(dǎo)安排的任務(wù)，直接干就完了。

UDP 也是，相信網(wǎng)絡(luò)世界永遠(yuǎn)是美好的，我發(fā)送的包是很容易送到的，接收方也是很容易組裝的。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單，不需要大量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、處理邏輯、包頭字段。

• 輕信他人

測(cè)試人員報(bào)的 bug 我也不會(huì)和她爭(zhēng)論什么，永遠(yuǎn)相信測(cè)試人員是對(duì)的，測(cè)試人員說(shuō)啥就是啥，我改就是。

UDP 也是，不會(huì)建立連接，有個(gè)端口號(hào)，誰(shuí)都可以監(jiān)聽這個(gè)端口號(hào)往上面發(fā)數(shù)據(jù)。也可以從這個(gè)端口號(hào)傳給任何人數(shù)據(jù)。反正我只管發(fā)就是。

• 不會(huì)討價(jià)還價(jià)

產(chǎn)品經(jīng)理昨天說(shuō)手機(jī)殼需要根據(jù)心情變色，測(cè)試人員說(shuō)這個(gè) bug 要把關(guān)聯(lián)的兩個(gè) bug 一起修掉。那就按照他們說(shuō)的做吧！

UDP 也是，不懂堅(jiān)持和退讓。也就是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行擁塞控制。無(wú)論網(wǎng)絡(luò)丟包多嚴(yán)重，我還是照樣發(fā)~

UDP 使用場(chǎng)景

針對(duì)像我那時(shí)候畢業(yè)菜鳥的情況，領(lǐng)導(dǎo)給我安排了三種工作環(huán)境讓我選。

• 內(nèi)部系統(tǒng)，任務(wù)簡(jiǎn)單，模塊單一，不需要考慮代碼的關(guān)聯(lián)影響，即使失敗了也沒有關(guān)系。

UDP 也是，需要資源少，網(wǎng)絡(luò)情況比較好的內(nèi)網(wǎng)，或者對(duì)于丟包不敏感的應(yīng)用。

• 有一個(gè)強(qiáng)力的團(tuán)隊(duì)支持，都是中高級(jí)開發(fā)、測(cè)試人員，團(tuán)隊(duì)成員打過(guò)很多年交道，互相信任。有什么問(wèn)題，吼一嗓子就可以了！

UDP 也是，不需要一對(duì)一溝通來(lái)建立連接，可以廣播的應(yīng)用。

• 一個(gè)新項(xiàng)目，需要有激情，對(duì)于剛畢業(yè)的菜鳥，都是有很強(qiáng)的自主能動(dòng)性的，也不會(huì)?；^，躲在廁所玩手機(jī)，帶薪拉shi ？即使項(xiàng)目不忙，我也抓緊時(shí)間干。項(xiàng)目忙，還是一樣干！

UDP 也是，猛著發(fā)包就是，主要應(yīng)用在需要處理速度快，時(shí)延低，可以容忍少數(shù)丟包的情況。即使網(wǎng)絡(luò)情況不佳，發(fā)包就是~

針對(duì)上面的三大場(chǎng)景，UDP 常用在實(shí)時(shí)競(jìng)技游戲，IoT 物聯(lián)網(wǎng)，移動(dòng)通信領(lǐng)域。

TCP 的特點(diǎn)？

• 面向連接

TCP 和 UDP 是傳輸層里面比較重要的兩個(gè)協(xié)議。大部分面試的時(shí)候都會(huì)問(wèn)到兩者的區(qū)別。而大部分都會(huì)兩句，比如 TCP 是面向連接的，UDP 是面向無(wú)連接。

那什么是面向連接？

TCP 三次握手是我們常常念叨和背誦的。而在這三次握手成功后，就是建立連接成功。

那什么又叫面向呢？

我們也常聽到面向?qū)ο缶幊獭⒚嫦蚯忻婢幊?、面向服?wù)編程。那到底什么是面向？

在我看來(lái) 面向 就是遵循一定的協(xié)議、規(guī)范、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等來(lái)做一系列事情。

比如面向連接，就是為了在客戶端和服務(wù)端維護(hù)連接，而建立一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)維護(hù)雙方交互的狀態(tài)，用這樣的數(shù)據(jù)來(lái)保證所謂的面向連接的特性。

知道了 TCP 的是用三次握手來(lái)建立連接，那我們是否可以讓 UDP 也發(fā)三個(gè)包來(lái)模擬 TCP 建立連接？可以是可以，但是如果只是建立，而不是面向連接，其實(shí)意義不大。

那 TCP 面向連接做了哪些事情？

TCP 提供可靠交付，通過(guò) TCP 連接傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可以無(wú)差錯(cuò)、不丟失、不重復(fù)、并且按序到達(dá)。而 UDP 繼承了 IP 包的特性，不保證不丟失，不保證按順序到達(dá)。

• 面向字節(jié)流

TCP 是面向字節(jié)流，所謂字節(jié)流，就是發(fā)的是一個(gè)流，沒頭沒尾。TCP 自己維護(hù)流狀態(tài)。

UDP 基于 IP 數(shù)據(jù)報(bào)，一個(gè)一個(gè)地發(fā)，一個(gè)一個(gè)地收。

• 擁塞控制

TCP 擁有擁塞控制，如果包丟棄了或者網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好了，就會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況自行控制自己的行為，看下是發(fā)快點(diǎn)還是發(fā)慢點(diǎn)。

UDP 則沒有這么智能了， 你讓我發(fā)，我就發(fā)唄，反正是你讓我發(fā)的，其他的一概不管~

• 有狀態(tài)服務(wù)

TCP 是一個(gè)有狀態(tài)的服務(wù)，有狀態(tài)可以理解為：我記錄了哪些發(fā)送了，哪些沒有發(fā)送，哪些接收到了，哪些沒接收到，應(yīng)該接收哪個(gè)了，一點(diǎn)差錯(cuò)都不行。TCP 干的事情可真多！

而 UDP 則不是有狀態(tài)的服務(wù)，我只管發(fā)，其他的就交給接收端吧，有點(diǎn)任性是吧？

如何讓 UDP 實(shí)現(xiàn) TCP 功能？

建立連接上面已經(jīng)講到了，三次握手和四次握手，UDP 也可以模擬去做。

那下面還有幾個(gè)問(wèn)題：

• 順序問(wèn)題
• 丟包問(wèn)題
• 流量控制
• 擁塞控制

TCP 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)這樣：

其實(shí)如果你能把這些結(jié)構(gòu)講清楚，就已經(jīng)理解了 TCP 的核心功能。下面我還是用大白話的方式來(lái)講解上面的四個(gè)問(wèn)題。

順序問(wèn)題和丟包問(wèn)題可以利用確認(rèn)與重發(fā)的機(jī)制。假如包收到了，可以做一個(gè)確認(rèn)，發(fā)送一個(gè) ACK 給發(fā)送端，告訴他我收到了。假如有的包提前到了，就緩存著。假如有包丟失了，就可以超時(shí)重試。超時(shí)重試不宜過(guò)短，時(shí)間必須大于往返時(shí)間 RTT，否則會(huì)引起不必要的重傳。也不宜過(guò)長(zhǎng)，如果超時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，訪問(wèn)就變慢了。那怎么確定這個(gè)時(shí)間，可以通過(guò)采樣 RTT 的時(shí)間，進(jìn)行加權(quán)平均。還需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，動(dòng)態(tài)變化?？梢粤私庀伦赃m應(yīng)重傳算法。

流量控制就是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況調(diào)整發(fā)包的速率。利用的是滑動(dòng)窗口。在對(duì)于包的確認(rèn)中，同時(shí)會(huì)攜帶一個(gè)窗口的大小，只要利用好這個(gè)窗口大小，就能很好地調(diào)整發(fā)包速率，發(fā)的報(bào)文段不要超過(guò)窗口的大小就 OK。（圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

擁塞控制主要用來(lái)避免包丟失和超時(shí)重傳，如果出現(xiàn)了這兩種現(xiàn)象，就說(shuō)明發(fā)的速率太快了。那最開始怎么知道發(fā)送速率呢？其實(shí)開始時(shí)只發(fā)送一個(gè)報(bào)文段數(shù)據(jù)，如果收到一個(gè)確認(rèn)，則倍增報(bào)文段，依次類推。當(dāng)發(fā)現(xiàn)超時(shí)重傳時(shí)，就又回到只發(fā)送一個(gè)報(bào)文段的情況，這個(gè)就是慢啟動(dòng)，這種方式不合適。其實(shí)還有一種快速重傳算法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是擁塞窗口減半，后續(xù)線性增速。針對(duì)于算法怎么實(shí)現(xiàn)的，這里就不展開講述了。（圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

至此，我用大白話的方式講解了 UDP 和 TCP 的區(qū)別，以及 UDP 缺什么功能，需要怎么去彌補(bǔ)才能實(shí)現(xiàn) TCP 的功能。相信這樣回答的思路可以讓面試官覺得還是有點(diǎn)東西的。

巨人的肩膀：

《趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議》

《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》