本内容是对知名性能评测博主 Anton Putra TCP vs UDP Performance: HUGE Improvement! 内容的翻译与整理, 有适当删减, 相关指标和结论以原作为准
在本期视频中，我们将再次对比 TCP 和 UDP 协议，重点关注延迟（latency）和吞吐量（throughput）。在我进行另一个基准测试时，我发现了几个可以改进之前测试的方法，因此我决定与大家分享这些内容。
TCP 协议是如何工作的？
首先，让我们了解一下 TCP 协议的工作方式。
客户端和服务器之间需要建立连接，这通过 三次握手 来完成。
- 首先，发送方发送一个 “同步”（SYN）数据包给接收方，表示客户端希望发起连接，并提供一个随机的序列号，这个序列号将在后续数据传输中使用。
- 然后，接收方回应一个 “同步-确认”（SYN-ACK）数据包，表示“收到！这是我的序列号，并且我确认你的序列号。”
- 最后，发送方回复一个 “确认”（ACK）数据包，序列号加 1，并确认：“很好，我们同步了，可以通信了。”
我们可以使用 Wireshark 工具进行观察。为了简化，我们可以监听本地回环地址（localhost），并设置抓包过滤器，只捕捉端口为 8080 的数据包（无论是源端口还是目标端口）。
此刻我们还没有任何数据包，所以我将先启动服务器，然后发送一个 JSON 负载。
现在我们可以看到 TCP 的三次握手过程了：包括 SYN、SYN-ACK 和最终的 ACK 数据包，表明一个 TCP 连接已经建立。
我运行的服务器监听的是 8080 端口，但当你创建客户端时，它会随机选择一个端口来创建 TCP 套接字，并连接到服务器。
你还可以看到服务器向客户端发送了一个 JSON 消息，而客户端在接收到该消息后，会返回一个仅包含头部的空数据包，表示它已经收到了消息。
测试
为了进行测试，我使用了 AWS 平台。在这次测试中，我为参与测试的每个应用程序分别使用了一台 m7a.medium 实例。
我使用 C++ 和原始套接字（raw sockets） 实现了 TCP 和 UDP 消息的发送与接收。
相关的源代码已经发布在我的公共 GitHub 仓库中。
我将从与上一次测试完全相同的设置开始，整个测试分为两个阶段：
- 第一阶段，我们只发送 16,000 条消息。你会发现，UDP 的延迟更低
---这在意料之中，因为 UDP 不需要建立连接，也不需要确认接收。 - 第二阶段，我们尝试使用 TCP 和 UDP 各自发送尽可能多的数据。你会注意到，由于 TCP 拥有更好的拥塞控制机制，它能实现更高的吞吐量。
最终测试结果非常值得注意：
- TCP 的吞吐量可达约 620,000 条消息/秒
- UDP 的吞吐量则只有 310,000 条消息/秒
不过，在最大负载下，你也会发现延迟差异变得更明显。UDP 在需要低延迟的场景下表现更好，而 TCP 在你更关注吞吐量和可靠性时表现更优秀。
第一个改进
我原以为使用 CMake 构建项目时，默认会生成一个经过优化的、可用于生产环境的二进制文件。
但我错了。
所以在下一轮测试中，我将使用 release 模式重新编译相同的源代码。
测试仍然分为两个阶段：
- 第一阶段基本与之前相同，可能会看到 稍微降低的 CPU 使用率，但没有显著变化。
- 第二阶段中，TCP 的吞吐量提升到了 1,000,000 条消息/秒，令人惊讶的是，UDP 的吞吐量反而没有增加，不过延迟有所降低。
因此，即使是简单地将应用程序编译为 release 模式，也能同时提升两个协议的表现。
这是一个愚蠢的错误，我没有任何借口。不过它确实展示了：通过正确编译应用程序可以获得更高的性能。
第二个改进
最后一个改进其实涉及到 监控（monitoring）。
我知道给应用程序添加指标会降低性能，但我以前从未实际测量过影响到底有多大。
所以，我使用 Prometheus 的直方图（histogram） 来测量客户端发送和接收的 UDP 与 TCP 消息的延迟。
很多人在生产环境中也会这么做，但如果你测量的是类似原始 TCP 或 UDP 数据包这种层级的内容，那么这些测量行为本身就会影响性能。
因此，在下一次测试中，我继续使用 Prometheus 的计数器（counter） 来计算接收到的消息速率，但我关闭了 histogram。这样你在最终测试中将看不到延迟的统计。这是第一阶段。
在第二阶段，我们可以看到：
- TCP 达到了 1,100,000 次请求/秒，比上一个测试提升了 10%
- UDP 也有相同程度的提升，现在约为 420,000 条消息/秒
这个测试说明，仅仅是为高性能应用程序添加监控指标，就可能导致性能下降 10% 或更多。所以一定要非常小心 --- 每一次函数调用和性能测量，都会降低程序的运行效率。
这在例如 交易系统 这样的场景中尤其重要，因为每一微秒都至关重要。
在下一期视频中，我将对比 WebSockets 与 HTTP 或 REST API 的表现。但在此之前，你可以先查看我关于 数据库、缓存以及不同编程语言 的其他基准测试。