移动端IM系统的协议选型：UDP还是TCP？

1、前言

对于有过网络编程经验的开发者来说，使用何种数据传输层协议来实现数据的通信，是个非常基础的问题，它涉及到你的第一行代码该如何编写。

从PC时代的IM开始，IM开发者就在为数据传输协议的选型争论不休（比如：《为什么QQ用的是UDP协议而不是TCP协议？》这样的问题，隔一段时间就能在社区里看到）。到了移动互联网时代，鉴于移动网络的不可靠性等特点，再加上手机的省电策略、流量压缩等，为这个问题的回答增了更多的不确定因素。

对于有选择困难证的人来说，基于以上因素，加上UDP和TCP协议的本质差异，这样的选择确实很纠结。本文将从作者的实践总结，给出自已的观点，如有异议还请理性回复，不为找喷，仅供参考。

说明：本文引用了DDPush的技术资料，感谢原作者。 （本文同步发布于：http://www.52im.net/thread-33-1-1.html）

2、学习交流 

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- 移动端IM开发推荐文章：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》

3、参考资料

《为什么QQ用的是UDP协议而不是TCP协议？》
《UDP中一个包的大小最大能多大》
《基于TCP协议的移动端IM仍然需要心跳保活机制》
《NAT详解：基本原理、穿越技术(P2P打洞)、端口老化等》
《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）》
《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》
《微信对网络影响的技术试验及分析（论文全文）》

4、UDP vs TCP

TCP还是UDP？长连接如何实现？如何实现心跳机制？心跳的间隔如何确定？这些问题都是讨论移动端IM、消息推送等类似话题时，几乎一定被问到的问题。这里尝试正本清源一下。

5、互联网、移动互联网网络环境

在分析到底应该使用UDP还是TCP之前，有必要先讨论一下互联网与移动互联网的网络环境特点。

互联网的网络基础建设，经过十几年长期的发展，已经较为稳定和成熟，PC终端、操作系统的能力也达到了较高的水平。

而移动互联网，由于涉及到无线电话网络基站、2G、3G和4G技术的不断发展，其稳定性、带宽、资源分配等各方面虽日趋完善，但当前终究还有不少问题的存在。另外，由于移动互联网其“移动”的本质，加上智能终端设备（智能手机、平板电脑）的发展较晚，目前还在不断演变的情况，与互联网相比，移动互联网还是低速、不稳定、终端能力稍弱的情况。而且由于其“移动”本质，短时间内很难达到互联网的质量。

所以，在互联网的环境里面，网络应用程序由于网络设施、操作系统的成熟，开发使用起来比较容易，资源也较为充足。而移动互联网还是要“斤斤计较”。

6、智能终端电池续航能力，系统休眠

智能终端设备的电池续航能力始终是技术瓶颈。在连续使用的情况下，绝大部分智能设备电池无法支持两个小时以上。所以在没有外部电源的情况，智能终端设备必须频繁、长时间休眠，这将极大地影响两种网络环境下的网络应用场景。

7、IPv4资源、端口资源

这个话题往往被很多人忽略，但它有着至关重要的影响。虽然大部分人都很清楚IP地址的紧缺导致的动态IP分配的必然，却忽略了由于IP地址不足引起的端口资源不足。

由于需要动态分配IP地址（这里不仅仅指互联网入口的IP，还包括局域网内部的IP），路由器的工作原理都是经过端口映射，把内部网络（包括PC、手机、平板、Wifi、2G、3G、4G）IP与端口映射成外部IP（通常是公网IP）和对应的端口，并维持这个映射关系，才能正常地修改、转发报文信息，保证内部各个ip、端口与外部的各个ip、端口的通信。

然而，单个IP地址的端口资源是有限的，理论上限是65535个端口。对于普通宽带路由器来说，这个已经很充足了。但是！对于大型的网络服务、网络主干接入点等来说，如果IP资源不足，每个IP几万个端口的资源很快会耗尽，从而影响正常通讯。

8、端口映射老化时间

正因为如此，所有的路由器都会为每个端口映射关系设置老化时间，如果老化时间倒数到0，则端口映射关系失效，该端口被释放给其他连接使用。如果端口全部耗尽，则无法再新建内部与外部的网络连接。

端口映射老化时间，比很多人想象中的要短很多。一般的家用宽带路由器，老化时间一般是两三分钟；在有线宽带运营商接入部分，老化时间可能少于两分钟。在无线电话网络运营商接入部分（例如GPRS连接），老化时间甚至不超过一分钟！

也就是说，任何一个网络通讯（不管是TCP或UDP），如果几分钟之内没有网络报文传输，其占用的IP地址端口将被路由器回收。这个时候该次通信必将终止，不管TCP还是UDP，神马都是浮云。

更残酷的事实是，互联网可认为是由无数个路由器连接而成的，一个网络通信往往需要通过n个路由器，每个路由器都会为一次通信建立自己的端口映射。只要其中一个路由器回收其端口，则整个通讯中断。

这也是很多人疑惑为什么TCP的KeepAlive参数无法保证长连接的原因。TCP的KeepAlive默认是两个小时（而且该参数还是TCP的可选实现，不是必然实现），在路由器端口映射老化时间的影响下，必然无法发挥其作用。实际上，该参数在单一的局域网内才可能被使用上，还要依赖具体的操作系统。

由于路由器端口映射的存在，加上智能终端频繁、长时间的休眠，TCP长连接的实用性在移动互联网情况下极大地打了折扣。

也因为如此，移动端IM、推送系统必须实现所谓的心跳包机制，以保持端口映射关系的老化时间不会减少到0而被回收，从而避免连接中断。

9、服务端承载能力

不管是UDP还是TCP，最终都是应用服务端的设备去提供服务的。而TCP由于提供了安全可靠的流服务，其对计算机、网络资源的消耗是远远大于UDP协议的。对于配置较好的主流服务器，配备大量的内存（数十G至上百G内存），与高速的磁盘、网卡，是能同时支持数百万个TCP连接的。不过这里需要较专业的服务器设置，需要调整不少系统参数，再加上服务程序的配合。另外，TCP连接的建立、维持与释放，都是需要较昂贵的计算、网络资源的。

终端在线服务，若是一个较为简单的服务，未必使用上TCP众多的高级功能，但承受TCP的昂贵成本，未必值得。如果能用UDP来提供服务，单服务器的承载能力，是可以去到TCP服务的数十倍，甚至上百倍的增长。这也是为什么DNS这种并发数巨大的服务器提供UDP接口的原因。

另外，上百万TCP连接的网络服务，其编程的难度、程序复杂度、调试难度、服务器运维成本、网络成本等都远远高于UDP。

而UDP编程，与上百万个终端通讯的难度与成本则低很多。如果提供的网络服务不是基于流的服务，也允许一定的失败机率（例如P2P），则UDP往往是更适合的方式。

10、高级应用网络通讯要求

不过，移动端IM系统、推送系统一方面提供终端在线服务，另外一方面也需要考虑内容信息的完整性和安全性。毕竟信息的丢失，或者通讯的被截获，都是难以接受的。而TCP不管在网络层的可靠性控制，还是在应用层的安全支持（例如HTTPS），都为应用提供无法替代的强大功能和便利。

11、结论

综合以上所述，其实答案也呼之欲出。

现在的移动端IM、推送系统，既面对移动互联网的不确定性，又面对智能终端频繁的系统休眠、网络切换，还要考虑服务端的承载成本，对于在线服务而言UDP是比TCP更适合的方式。但是由于数据完整性、安全性的需要，又不应完全放弃TCP的可靠与安全。

所以，个人认为，更恰当的方式应该是：两种通信协议同时使用，各有侧重。UDP用于保持大量终端的在线与控制，应用与业务则通过TCP去实现。这个和FTP服务控制与数据分离，采取不同的连接，有异曲同工之处。

事实上，这个也是即时通讯巨头QQ所采用的方式。早期的时候，QQ还是主要使用TCP协议，而后来就转向了采用UDP的方式来保持在线，TCP的方式来上传和下载数据。现在，UDP是QQ的默认工作方式，表现良好。相信这个也被沿用到了微信上。

简单的考证：登录PC版QQ，关闭多余的QQ窗口只留下主窗口，并将其最小化。几分钟过后，查看系统网络连接，会发现QQ进程已不保有任何TCP连接，但有UDP网络活动。这时在发送聊天信息，或者打开其他窗口和功能，将发现QQ进程会启用TCP连接。

（本文同步发布于：http://www.52im.net/thread-33-1-1.html）

附录：更多IM技术文章

[1] 网络编程基础资料：
《TCP/IP详解 - 第11章·UDP：用户数据报协议》
《TCP/IP详解 - 第17章·TCP：传输控制协议》
《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》
《理论联系实际：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》
《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）》
《NAT详解：基本原理、穿越技术(P2P打洞)、端口老化等》
《UDP中一个包的大小最大能多大？》
《Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍》
《NIO框架入门(三)：iOS与MINA2、Netty4的跨平台UDP双向通信实战》
《NIO框架入门(四)：Android与MINA2、Netty4的跨平台UDP双向通信实战》
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[2] 有关IM/推送的通信格式、协议的选择：
《为什么QQ用的是UDP协议而不是TCP协议？》
《移动端即时通讯协议选择：UDP还是TCP？》
《如何选择即时通讯应用的数据传输格式》
《强列建议将Protobuf作为你的即时通讯应用数据传输格式》
《移动端IM开发需要面对的技术问题（含通信协议选择）》
《简述移动端IM开发的那些坑：架构设计、通信协议和客户端》
《理论联系实际：一套典型的IM通信协议设计详解》
《58到家实时消息系统的协议设计等技术实践分享》
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[3] 有关IM/推送的心跳保活处理：
《Android进程保活详解：一篇文章解决你的所有疑问》
《Android端消息推送总结：实现原理、心跳保活、遇到的问题等》
《为何基于TCP协议的移动端IM仍然需要心跳保活机制？》
《微信团队原创分享：Android版微信后台保活实战分享(进程保活篇)》
《微信团队原创分享：Android版微信后台保活实战分享(网络保活篇)》
《移动端IM实践：实现Android版微信的智能心跳机制》
《移动端IM实践：WhatsApp、Line、微信的心跳策略分析》
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[4] 有关WEB端即时通讯开发：
《新手入门贴：史上最全Web端即时通讯技术原理详解》
《Web端即时通讯技术盘点：短轮询、Comet、Websocket、SSE》
《SSE技术详解：一种全新的HTML5服务器推送事件技术》
《Comet技术详解：基于HTTP长连接的Web端实时通信技术》
《WebSocket详解（一）：初步认识WebSocket技术》
《socket.io实现消息推送的一点实践及思路》
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[5] 有关IM架构设计：
《浅谈IM系统的架构设计》
《简述移动端IM开发的那些坑：架构设计、通信协议和客户端》
《一套原创分布式即时通讯(IM)系统理论架构方案》
《从零到卓越：京东客服即时通讯系统的技术架构演进历程》
《蘑菇街即时通讯/IM服务器开发之架构选择》
《腾讯QQ1.4亿在线用户的技术挑战和架构演进之路PPT》
《微信技术总监谈架构：微信之道——大道至简(演讲全文)》
《如何解读《微信技术总监谈架构：微信之道——大道至简》》
《快速裂变：见证微信强大后台架构从0到1的演进历程（一）》
《17年的实践：腾讯海量产品的技术方法论》
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[6] 有关IM安全的文章：
《即时通讯安全篇（一）：正确地理解和使用Android端加密算法》
《即时通讯安全篇（二）：探讨组合加密算法在IM中的应用》
《即时通讯安全篇（三）：常用加解密算法与通讯安全讲解》
《即时通讯安全篇（四）：实例分析Android中密钥硬编码的风险》
《传输层安全协议SSL/TLS的Java平台实现简介和Demo演示》
《理论联系实际：一套典型的IM通信协议设计详解（含安全层设计）》
《微信新一代通信安全解决方案：基于TLS1.3的MMTLS详解》
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[7] 有关实时音视频开发：
《即时通讯音视频开发（一）：视频编解码之理论概述》
《即时通讯音视频开发（二）：视频编解码之数字视频介绍》
《即时通讯音视频开发（三）：视频编解码之编码基础》
《即时通讯音视频开发（四）：视频编解码之预测技术介绍》
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[9] 开源移动端IM技术框架资料：
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《开源移动端IM技术框架MobileIMSDK：常见问题解答》
《开源移动端IM技术框架MobileIMSDK：压力测试报告》
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http://www.52im.net/forum.php?mod=collection&op=all

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