网游中的网络编程系列1：UDP vs. TCP

原文：UDP vs. TCP，作者是Glenn Fiedler，专注于游戏网络编程相关工作多年。

目录

网游中的网络编程系列1：UDP vs. TCP 网游中的网络编程2：发送和接收数据包 网游中的网络编程3：在UDP上建立虚拟连接 TODO 说在最前面的话

翻译这篇文章的初衷：我在工作中根本接触不到网络游戏编程，但是我不想把自己定义为‘网站开发工程师’，正像我师父告诉我的：“别说开发网站，太low！要说开发web应用”。那么，网络游戏开发web方面的知识真的应该了解下。锻炼自己英文的同时，可以分享些东西给“小伙们”，哇咔咔～。

这是一个系列的文章，前面的东西一定要弄懂，后面就会轻松的搞明白（我后面的还没看，但是要先给自己打打气）。

注：括号中的内容都是我加上去的，为了有助于理解。

介绍

你一定听说过sokcet(初探socket)，它分为两种常用类型：TCP和UDP。当要写一个网络游戏，我们首先要选择使用哪种类型的socket。是用TCP、UDP还是两者都用？

选择哪种类型，完全取决于你要写的游戏的类型。后面的文章，我都将假设你要写一个‘动作’网游。就像：光环系列，战地1942，雷神之锤，这些游戏。

我们将非常仔细的分析这两种socket类型的优劣，并且深入到底层，弄清楚互联网是如何工作的什么。当我们弄清楚这些信息后，就很容易做出正确的选择了。

TCP/IP

TCP代表“传输控制协议”，IP代表：“互联网协议”，你在互联网上做任何事情，都是建立在这两者的基础上，比如：浏览网页、收发邮件等等。

TCP

如果你曾经用过TCP socket，你肯定知道它是可靠连接的协议，面向连接的传输协议。简单的说：两台机器先建立起连接，然后两台机器相互发送数据，就像你在一台计算机上写文件，在另外一个台读文件一样。（我是这么理解的：TCP socket就像建立起连接的计算机，之间共享的一个'文件'对象，两者通过读写这个'文件'实现数据的传输）

这个连接是可靠的、有序的，代表着：发送的所有的数据，保证到达传输的另一端的时候。另一端得到的数据，和发送数据一摸一样（可靠，有序。例如：A发送数据‘abc’，通过TCP socket传输数据到B，B得到数据一定是：‘abc’。而不是‘bca’或者‘xueweihan’之类的鬼！）。传输的数据是‘数据流’的形式(数据流：用于操作数据集合的最小的有序单位，与操作本地文件中的stream一样。所以TCP socket和文件对象很像)，也就是说：TCP把你的数据拆分后，包装成数据包，然后通过网络发送出去。

注意：就像读写文件那样，这样比较好理解。

IP

“IP”协议是在TCP协议的下面（这个牵扯到七层互联网协议栈，我就简单的贴个图不做详细的介绍）

“IP”协议是没有连接的概念，它做的只是把上一层(传输层)的数据包从一个计算传递到下一个计算机。你可以理解成：这个过程就像一堆人手递手传递纸条一样，传递了很多次，最终到达纸条上标记的xxx手里（纸条上写着‘xxx亲启，偷看者3cm’）。

在传递的过程中，不保证这个纸条(信件)能能够准确的送到收信人的手上。发信人发送信件，但是永远不知道信件是否可以准确到达收件人的手上，除非收件人回信告诉他（发信人）：“兄弟我收到信了！”（IP层只是用于传递信息，并不做信息的校验等其它操作）

当然，传递信息的这个过程还是还是很复杂的。因为，不知道具体的传递次序，也就是说，因为不知道最优的传递路线（能够让数据包快速的到达目的地的最优路径）所以，有些时候“IP”协议就传递多份一样的数据，这些数据通过不同的路线到达目的地，从而发现最优的传递路线。

这就是互联网设计中的：自动优化和自动修复，解决了连接的问题。这真的是一个很酷的设计，如果你想知道更多的底层实现，可以阅读关于TCP/IP的书。（推荐上野宣的图解系列)

UDP

如果我们想要直接发送和接受数据包，那么就要使用另一种socket。

我们叫它UDP。UDP代表“用户数据包协议”，它是另外一种建立在IP协议之上的协议，就像TCP一样，但是没有TCP那么多功能（例如：建立连接，信息的校验，数据流的拆分合并等）

使用UDP我们能够向目标IP和端口（例如80），发送数据包。数据包会达到目标计算机或者丢失。

收件人（目标计算机），我们只需要监听具体的端口（例如：80），当从任意一台计算机（注意：UDP是不建立连接的）接受到数据包后，我们会得知发送数据包的计算机地址（IP地址）和端口、数据包的大小、内容。

UDP是不可靠协议。现实使用的过程中，发送的大多数的数据包都会被接收到，但是通常会丢失1-5%，偶尔，有的时候还可能啥都接收不到（数据包全部丢失一个都没接收到，传递数据的计算机之间的计算机的数量越多，出错的概率越大）。

UDP协议中的数据包也是没有顺序的。比如：你发送5个包，顺序是1，2，3，4，5。但是，即接收到的顺序可能是3，1，4，2，5。现实使用的过程中，大多时候，接收到的数据的顺序是正确的，但是并不是每次都是这样。

最后，尽管UDP并没有比“IP”协议高级多少，而且不可靠。但是你发送的数据，要么全部到达，要么全部丢失。比如：你发送一个大小为256 byte的数据包给另外一台计算机，这台计算机不会只接收到100 byte的数据包，它只可能接收到256 byte的数据包，或者什么都没接收到。这是UDP唯一可以保证的事情，其它所有的事情都需要你来决定（我的理解，UDP协议只是个简单的传输协议，只保证数据包的完整性，注意是数据包而不是信息。其他的事情需要自己去做，完善这个协议，达到自己使用的需求。）

TCP vs. UDP

我们如何选择是使用TCP socket还是UDP socket呢？

我们先看看两者的特征吧：

TCP：

面向连接

可靠、有序

自动把数据拆分成数据包

确保数据的发送一直在控制中（流量控制）

使用简单，就像读写文件一样

UDP：

没有连接的概念，你需要自己通过代码实现（这个我也没自己实现过，应该还会讲）

不可靠，数据包无序，数据包可能无序，重复，或者丢失

你需要手动地把数据拆分成数据包，然后发送数据包

你需要自己做流量控制

如果数据包太多，你需要设计重发和统计机制

通过上面的描述，不难发现：TCP做了所有我们想做的事情，而且使用十分简单。反观UDP就十分难用了，我们需要自己编写设计一切。很显然，我们只要用TCP就好了！

不，你想的简单了（原来，是我太年轻了！）

当你开发一个像上面说过的FPS（动作网游）的时候使用TCP协议，会是一个错误的决定，这个TCP协议就不好用了！为什么这么说？那么你就需要知道TCP到底做了什么，使得一起看起来十分简单。（让我们继续往下看，这是我最好奇的地方！！！有没有兴奋起来？）

TCP内部的工作原理

TCP和UDP都是建立在“IP”协议上的，但是它俩完全不同。UDP和“IP”协议很像，然而TCP隐藏了数据包的所有的复杂和不可靠的部分，抽象成了类似文件的对象。

那么TCP是如何做到这一点呢？

首先，TCP是一个数据流的协议，所以你只需要把输入的内容变成数据流，然后TCP协议就会确保数据会到达发送的目的地。因为“IP”协议是通过数据包传递信息，TCP是建立在“IP”协议之上，所以TCP必须把用户输入的数据流分成数据包的形式。TCP协议会对需要发送的数据进行排队，然后当有足够的排除数据的时候，就发送数据包到目标计算机。

当在多人在线的网络游戏中发送非常小的数据包的时候，这样做就有一个问题。这个时候会发生什么？如果数据没有达到缓冲区设定的数值，数据包是不会发送的。这就会出现个问题：因为客户端的用户输入请求后，需要尽快的从服务器得到响应，如果像上面TCP 等待缓冲区满后才发送的话，就会出现延时，那么客户端的用户体验就会非常差！网络游戏几乎不能出现延时，我们希望看到的是“实时”和流畅。

TCP有一个选项可以修复，上面说的那种等待缓冲区满才发送的情况，就是TCP_NODELAY。 这个选项使得TCP socket不需要等待缓冲区满才发送，而是输入数据后就立即发送。

然而，即使你已经设置了TCP_NODELAY选项，在多人网游中还是会有一系列的问题。

这一切的源头都由于TCP处理丢包和乱序包的方式。使得你产生有序和可靠的“错觉”。

TCP如何保证数据的可靠性

本质上TCP做的事情，分解数据流，成为数据包，使用在不可靠的“IP”协议，发送这些数据包。然后使得数据包到达目标计算机，然后重组成数据流。

但是，如何处理当丢包？如何处理重复的数据包和乱序数据包？

这里不会介绍TCP处理这些事情的细节，因为这些都是非常复杂的（想弄清楚的同学可以看我上面推荐的书单），大体上：TCP发送一个数据包，等待一段时间，直到检测到数据包丢失了，因为没有接收到它的ACK（一种传输类控制符号，用于确认接收无误），接下来就重新发送丢失的数据包到目标计算机。重复的数据包将被丢弃在接收端，乱序的数据包将被重新排序。所以保证了数据包的可靠性和有序性。

如果我们用TCP实现数据的实时传输，就会出现一个问题：TCP无论什么情况，只要数据包出错，就必须等待数据包的重发。也就是说，即使最新的数据已经到达，但还是不能访问这些数据包，新到的数据会被放在一个队列中，需要等待丢失的包重新发过来之后，所有数据没有丢失才可以访问。需要等待多长时间才能重新发送数据包？举个例子：如果的延时是125ms，那么需要最好的情况下重发数据包需要250ms，但是如果遇到糟糕的情况，将会等待500ms以上，比如：网络堵塞等情况。那就没救了。。。

为什么TCP不应该用于对网络延时要求极高的条件下

如果FPS（第一人称射击）这类的网络游戏使用TCP就出现问题，但是web浏览器、邮箱、大多数应用就没问题，因为多人网络游戏有实时性的要求。比如：玩家输入角色的位置，重要的不是前一秒发生了什么，而是最新的情况！TCP并没有考虑这类需求，它并不是为这种需求而设计的。

这里举一个简单的多人网游的例子，比如射击的游戏。对网络的要求很简单。玩家通过客户端发送给服务器的每个场景（用鼠标和键盘输入的行走的位置），服务器处理每个用户发送过来的所有场景，处理完再返回给客户端，客户端解析响应，渲染最新的场景展示给玩家。

在上面说的哪个多人游戏的例子中，如果出现一个数据包丢失，所有事情都需要停下来等待这个数据包重发。客户端会出现等待接收数据，所以玩家操作的任务就会出现站着不动的情况（卡！卡！卡！），不能射击也不能移动。当重发的数据包到达后，你接收到这个过时的数据包，然而玩家并不关心过期的数据（激战中，卡了1秒，等能动了，都已经死了）

不幸的是，没有办法修复TCP的这个问题，这是它本质的东西，没办法修复。这就是TCP如何做到让不可靠，无序的数据包，看起来像有序，可靠的数据流。

我并不需要可靠，有序的数据流，我们希望的是客户端和服务端之间的延时越低越好，不需要等待重发丢失的包。

所以，这就是为什么在对数据的实时性要求的下，我们不用TCP。

那为什么不UDP和TCP一起用呢？

像玩家输入实时游戏数据和状态的变更，只和最新的数据有关（这些数据强调实时性）。但是另外的一些数据，例如，从一台计算机发送给另外一个台计算机的一些列指令（交易请求，聊天？），可靠、有序的传输还是非常重要的！

那么，用户输入和状态用UDP，TCP用于可靠、有序的数据传输，看起来是个不错的点子。但是，问题在于TCP和UDP都是建立“IP”协议之上，所以协议之间都是发送数据包，从而相互通信。协议之间的互相影响是相当复杂的，涉及到TCP性能、可靠性和流量控制。简而言之，TCP会导致UDP丢包，请参考这篇论文

此外，UDP和TCP混合使用是非常复杂的，而且实现起来是非常痛苦的。（这段我就不翻译了，总而言之：不要混用UDP和TCP，容易失去对传输数据的控制）

总结

我的建议并不是就一定要使用UDP，但是UDP协议应该用于游戏。请不要混合使用TCP和UDP，你应该学习TCP中一些地方是如何实现的技巧，然后可以把这些技巧用在UDP上，从而实现适合你的需求的协议（借鉴TCP中的实现，在UDP上，完善功能，从而达到你的需求）。

这个系列，接下来会讲到：如何在UDP上创建一个虚拟的连接（因为UDP本身，是没有连接的概念的）、如何使得UDP实现可靠性，流量控制，非阻塞。

参考

MBA lib数据流 WiKi TCP/IP协议族 W3School TCP/IP 协议 UDP和TCP的区

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