视频流传输中，TCP与UDP的对比

先决条件：TCP/IP模型，用户数据报协议（UDP）
在当今这个拥有各种娱乐、教育、游戏以及各类生活所需服务的现代互联网时代，对不间断视频流的需求显得尤为重要。在探讨哪种协议更适合视频流传输时，我们必须先了解TCP和UDP这两种协议。

在传输数据包时，TCP所使用的机制：

• TCP是一种协议，它负责与对方建立正式的通信会话。TCP会发送数据，并等待对方的确认。
• TCP能够确保数据的可靠传输。
• 它还根据对网络数据传输能力的评估来调整其发送速率。它会估算网络的带宽、传输延迟等因素；如果这些指标有所恶化，那么就会降低发送速率；反之，如果这些指标有所改善，那么就会提高发送速率。
• 如果数据包在传输过程中丢失了，那么最终会重新发送该数据包。

TCP的正常传输过程：
TCP会逐渐增加发送的数据量，直到连接变得拥塞为止。起初，传输速度较慢，但之后会以越来越快的速度继续发送数据。在避免拥塞的阶段，为了防止出现拥塞现象，TCP会逐渐增加数据传输的速率。最后，它会将数据传输到接收方能够轻松处理的速率，这就是所谓的“稳态”。

TCP对丢失数据包的反应：
当数据包丢失时，可能是由于网络缓冲区已满，或者接收方接收到的数据量超过了其能够缓冲的范围。在这种情况下，丢失的数据包不会被确认，因此TCP会认为自己发送数据的速度过快，于是又会重新开始慢启动过程。当第二个数据包也丢失时，数据流再次中断。如果这种丢失是连续发生的，那么数据传输的速度将会急剧下降，最终可能只能传输一个数据包而已。

我们可以看一下下面所描述的情景，即TCP在数据包丢失时的反应。

在这种情况下，源A向接收者B发送了10个数据包，分别是D1到D10。在传输过程中，有一个数据包D6丢失了。

• 源A与源B之间建立了TCP连接。
• A向源B发送了D1和D2两个数据包。
• B请求获取数据包D3。
• A发送了D3，同时还发送了数据包D4、D5和D6。
• 但是，在传输过程中，D6这个数值会丢失。这种情况可能是因为B的缓冲区被过度填充所导致的。
• 然后，B请求获取数据包D6。
• 这次只发送了一个数据包，同样属于慢启动模式。
• B再次请求得到D6的结果。
• A继续分别发送数据包D8和D9，而B则持续请求接收D6数据包。
• 接收方尚未发送4个请求确认数据包已成功传输的消息。因此，TCP系统认为该数据包已经丢失了。否则的话，TCP系统就会认为数据包在网络中发生了错误路由。所以，最终A方再次重新传输了那些请求确认数据包已成功传输的消息。
• 现在，B请求获取数据包D10。
• A发送了D10，之后就会执行连接的关闭过程。

我们注意到，一次丢失一个数据包就足以导致处理过程的延迟，同时还会引发拥塞现象，从而无法增加流量。每次都会只丢失一个数据包。因此，一次数据包的丢失就可能导致吞吐量下降高达50%。
我们得出了一些结论——

• TCP对数据包丢失、延迟以及可用带宽的情况非常敏感。
• TCP通过“慢启动”、“拥塞避免”以及估算往返时间（RTT）的方式来调整自身的行为。

因此，如果客户所要求的带宽超过了发送方能够提供的范围，从而导致数据丢失的话，那么延迟就不可避免。再比如，在实时视频流传输过程中，由于上述原因导致数据包丢失，那么实时流媒体的性能将会受到严重影响，因为协议需要不断重新传输丢失的数据包。这样一来，观众所看到的画面就会比实际播放的画面慢得多。

UDP：用户数据报协议
UDP也是一种传输层协议。它无法知道数据是否成功到达。只要应用程序发送了数据，或者操作系统发出允许接收的指令，UDP就会立即将数据发送出去。实际上，UDP根本不知道数据是否已经收到了，或者是否发生了失败。UDP主要完成以下三个功能：

• 它通过使用端口号来标识发送和接收的过程。
• 它会对UDP头部进行错误检查。
• 它记录了对UDP头部进行的检查结果。

因此，我们可以看到，UDP根本无法用来恢复那些丢失的数据包。 它并不关心每个数据包是否已经到达了目的地。 如果你再次考虑一下实时视频流传输的情况，那么，即使某个数据包丢失了，也不会导致视频播放出现延迟，因为可以重新获取丢失的数据包来继续播放视频。 视频的质量会随着时间的推移而下降，具体程度取决于损失的程度。可能会出现屏幕角落出现小方块状的失真现象，或者整个屏幕都出现失真的情况。不过，视频的播放速度仍然会与实时直播保持同步。

实时协议：

• UDP本身并不具备TCP所拥有的许多功能。但是，如果将其与另一种协议结合使用的话，我们就可以实现一些与TCP相同的功能。
• 在语音或视频会议中，一些TCP特性是通过引入一种名为“实时协议”（RTP）的协议来实现的。如果我们把RTP头部与UDP一起使用，那么RTP就会添加序列号、时间戳，以及音频或视频源的标识符。此外，RTP还允许另一种名为RTCP的协议来报告可能出现的丢失情况。
• 在使用RTP协议与UDP协议进行通信时，语音数据包的发送间隔是固定的，这个间隔是根据编解码器的输出特性来确定的。
  例如，在语音传输方面，数据每20毫秒就会发送一次（即每0.02秒一次）。而在视频传输方面，数据则是在一个IP数据包被完整传输后才会被发送。

因此，如果连续发送的多个数据包丢失了，那么UDP对语音的传输效果就会产生很大的影响。这种情况下，音频会瞬间中断，而我们也会立刻察觉到这个问题。 但是，如果你丢失了哪怕一个数据包，那就意味着声音信息被丢失了0.05秒。而人类的耳朵对这么短时间的声音损失并不敏感，因此无法察觉到这一点。 但是，在视频播放的情况下，因为要完成一帧画面的显示，需要传输大量的视频数据。因此，视频的质量可能会下降，屏幕上会出现一些小方块或小块状的画面。这些画面会呈现出不同的颜色，因为数据并没有按照正确的顺序传输过来，导致画面无法正常显示。 在实时音频或视频传输中，网络的丢包率通常不应超过0.25%。

因此，将UDP与其他协议（如RTP、WebRTC和RTSP）结合使用，能够提供更优质的视频流传输体验，相比TCP来说，效果更为出色。