Linux(服务器编程):45---UDP分包与组包

一、UDP概述

• UDP协议就不过多的介绍了，可以参阅：https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/103984794，或者其他关于UDP的文章
• 下面有一个网站可以来查看当前各国的流量速率比，进入之后找到中国，点击查看：https://www.speedtest.net/global-index

二、UDP的特性与应用场景

• 采用UDP有3个关键点：
  • 网络带宽需求较小，而实时性要求高
  • 大部分应用无需维持连接
  • 需要低功耗
• 应用场景：
  • 网页浏览：新浪微博就已经用了QUIC协议
  • 流媒体：WebRTC就是基于UDP的
  • 实时游戏：Unity3D采用的RakNet也是基于UDP的协议

基于UDP协议的QUIC协议

• QUIC（Quick UDP Internet Connection）是谷歌制定的一种基于UDP的低时延的互联网传输层协议
• 详情可参阅：https://eng.uber.com/employing-quic-protocol/

UDP传输时需要注意的问题

• 数据包确认机制
• 数据包重传机制
• 尽量不发送大于路径MTU的数据包
• 处理数据包重排

三、UDP与MTU

IP分片的概念

• 在TCP/IP分层中，数据链路层用MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）来限制所能传输的数据包大小，MTU是指一次传送的数据最大长度，不包括数据链路层数据帧的帧头，如以太网的MTU为1500字节，实际上数据帧的最大长度为1514字节，其中以太网数据帧的帧头为14字节
• 当发送的IP数据包的大小超过了MTU时，IP层就需要对数据进行分片，否则数据将无法发送成功
• IP层是没有超时重传机制的，如果IP层对一个数据包进行了分片，只要有一个分片丢失了，只能依赖于传输层进行重传，结果是所有的分片都要重传一遍，这个代价有点大；公网传输，需要经过多个网络设备，IP分片容易造成丢包
• 由此可见，IP分片会大大降低传输层传送数据的成功率，所以我们要避免IP分片

UDP与MTU的关系

• MTU是指通信协议的链路层上面所能通过的最大数据包大小
• 单个UDP传输的最大内容1472字节，但由于不同的网络中转设备设置的MTU值并不相同：
  • Internet环境下：标准MTU值为576字节，UDP的数据长度应该控制在548字节（576-8-20）以内
  • 局域网环境下：UDP的数据长度控制在1472个字节以内

四、UDP分包与组包设计

为什么要对UDP进行分包与组包

• 通过上面对MTU的介绍我们知道，如果IP数据包的大小超过了其所在环境中MTU的大小，那么就会对IP数据包进行分片
• 当分片只要，只要其中一个片段丢失，那么就需要重传所有的分片数据，因此这种消耗是比较大的

主要思想

• 在应用层，我们对UDP数据进行传输时调用的两个接口为sendto()和recvfrom()
• 我们将传输的数据（原始数据，可能很大）分割为一个一个小的分片，使分片的大小不大于MTU的大小，这样我们在进行UDP数据传输的时候，就不会产生上面IP分片的问题了

• 对于每一个分片我们需要设计其格式，例如下面是定义的一种格式。相关字段为如下所示

代码

•  GIthub链接：https://github.com/dongyusheng/csdn-code/tree/master/udp_piece
• 其中：
  • circular_buffer.h/.c：环形缓冲区，用来保存数据的
  • udp-piece.h/.c：UDP分片与重组（核心代码）
  • udp-piece-client.c：客户端测试代码，代码内会向服务端发送UDP数据
  • udp-piece-server.c：服务端测试代码，接收客户端的UDP数据

编码主要思路

•  udp-piece.h：
  • 定义了如下的宏和结构，主要用来描述分片节点的
  • 其中比较重要的一个字段为PIECE_FIX_SIZE，其代表我们分片中实际数据的长度，因为Internet中MTU的大小通常为576，所以我们的UDP数据包最好不要超过576-8-20大小（8为UDP头大小，20位IP报文大小），另外还要减去12（因为我们分片也有头，为12字节）

• udp-piece-client.c：其向服务端发送一长串字符串，在发送之前先调用udp_piece_cut()对整个UDP数据包进行分片，然后逐个发送出去

• udp-piece-server.c：其从客户端接收UDP数据，将接收的数据放到环形缓冲中，然后进行重组

五、附加

• 本文只介绍了“UDP的分包与组包”，并没有涉及到UDP数据包确认、重传等机制，并且代码也只做到了分包与组包
• 关于UDP更深一步的设计，会在后面“KCP”的文章中介绍的哦