理解 UDP

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UDP 和 TCP 的不同

TCP 在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连接。
TCP 不提供广播或多播服务，由于 TCP 要提供可靠的、面向连接的运输服务，因此不可避免地增加了许多的开销，如确认、流量控制、计时器以及连接管理等。

而 UDP 在传送数据之前不需要先建立连接。接收方收到 UDP 报文之后，不需要给出任何确认。
虽然 UDP 不提供可靠交付，但在某些情况下 UDP 却是一种最有效的工作方式。

简单来说就是：

UDP：单个数据报，不用建立连接，简单，不可靠，会丢包，会乱序；

TCP：流式，需要建立连接，复杂，可靠 ，有序。

UDP 概述

UDP 全称 User Datagram Protocol, 与 TCP 同是在网络模型中的传输层的协议。

UDP 的主要特点是：

1. 无连接的，即发送数据之前不需要建立连接，因此减少了开销和发送数据之前的时延。

2. 不保证可靠交付，因此主机不需要为此复杂的连接状态表

3. 面向报文的，意思是 UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界，在添加首部后向下交给 IP 层。

4. 没有阻塞控制，因此网络出现的拥塞不会使发送方的发送速率降低。

5. 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信，也即是提供广播和多播的功能。

6. 首部开销小，首部只有 8 个字节，分为四部分。

UDP 的常用场景：

1. 名字转换（DNS）

2. 文件传送（TFTP）

3. 路由选择协议（RIP）

4. IP 地址配置（BOOTP，DHTP）

5. 网络管理（SNMP）

6. 远程文件服务（NFS）

7. IP 电话

8. 流式多媒体通信

UDP 报文结构

UDP 数据报分为数据字段和首部字段。
首部字段只有 8 个字节，由四个字段组成，每个字段的长度是 2 个字节。

首部各字段意义：

1. 源端口：源端口号，在需要对方回信时选用，不需要时可全 0.

2. 目的端口：目的端口号，在终点交付报文时必须要使用到。

3. 长度：UDP 用户数据报的长度，在只有首部的情况，其最小值是 8 。

4. 检验和：检测 UDP 用户数据报在传输中是否有错，有错就丢弃。

UDP 如何进行校验和

伪首部

UDP 数据报首部中检验和的计算方法比较特殊。
在计算检验和时，要在数据报之前增加 12 个字节的伪首部，用来计算校验和。
伪首部并不是数据报真正的首部，是为了计算校验和而临时添加在数据报前面的，在真正传输的时候并不会把伪首部一并发送。

伪首部个字段意义：

1. 第一字段，源 IP 地址

2. 第二字段，目的 IP 地址

3. 第三字段，字段全 0

4. 第四字段，IP 首部中的协议字段的值，对于 UDP，此字段值为 17

5. 第五字段，UDP 用户数据报的长度

校验和计算方法

校验和的计算中，频繁用到了二进制的反码求和运算，运算规则见下：

二进制反码求和运算

0 + 0 = 0
1 + 0 = 0 + 1 = 1
1 + 1 = 10

其中 10 中的 1 加到了下一列去，如果是最高列的 1 + 1 ，那么得到的 10 留下 0 , 1 移到最低列，与最低位再做一次二进制加法即可。

检验和计算过程

1. 把首部的检验和字段设置为全 0

2. 把伪首部以及数据段看成是许多 16 位的字串接起来。

3. 若数据段不是偶数个字节，则填充一个全 0 字节，但是这个字节不发送。

4. 通过二进制反码运算，计算出 16 位字的和。

   1. 让第一行和第二行做二进制反码运算。

   2. 将第一行和第二行的结果与第三行做二进制反码计算，以此类推。

5. 最后运算结果取反，得到校验和。

6. 把计算出来的校验和值，填入首部校验和字段。

接收方收到数据报之后，按照同样的方法计算校验和，如果有差错，则丢弃这个数据报。

可以看出校验和，既检查了 UDP 用户数据报的源端口号和目的端口号以及数据报的数据部分，又检查了 IP 数据报的源 IP 地址和目的地址。

一个校验和例子
假设一个 UDP 数据报：

各字段以二进制表示：

1001 1001 0001 0011 //伪首部源IP地址前16位，值：153.19
0000 1000 0110 1000 //伪首部源IP地址后16位，值：8.104
1010 1011 0000 0011 //伪首部目的IP地址前16位，值：171.3
0000 1110 0000 1011 //伪首部目的IP地址后16位，值：14.11
0000 0000 0001 0001 //伪首部UDP协议字段代表号，值：17
0000 0000 0000 1111 //伪首部UDP长度字段，值：15
0000 0100 0011 1111 //UDP头部源IP地址对应的进程端口号，值：1087
0000 0000 0000 1101 //UDP头部目的IP地址对应的进程端口号，值：13
0000 0000 0000 1111 //UDP头部UDP长度字段，值：15
0000 0000 0000 0000 //UDP头部UDP检验和，值：0
0101 0100 0100 0101 //数据字段
0101 0011 0101 0100 //数据字段
0100 1001 0100 1110 //数据字段
0100 0111 0000 0000 //数据字段+填充0字段

按照二进制反码运算求和，结果：10010110 11101101
结果求反码得出校验和：01101001 00010010

参考

二进制反码求和运算
《后台开发 核心技术与应用实践》
《计算机网络》