UDP协议详解

一、UDP协议概述

        传输层另一个重要的协议就是用户数据报协议 UDP。UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了很少一点的功能，这就是复用和分用的功能以及差错检测的功能。

<注> UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)

UDP的主要特点是：

（1）UDP 是无连接的。即发送数据之前不需要建立连接（当然，发送数据结束时也没有连接可释放），因此减少了开销和发送数据之前的时延。

（2）UDP 使用尽最大努力交付。即不保证可靠交付，因此主机不需要维护复杂的连接状态表（这里面有许多参数）。

（3）UDP 是面向报文的。发送方的 UDP 对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付 IP 层。UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也不分拆，而是保留这些报文的边界。这就是说，应用层交给 UDP 多长的报文，UDP 就照样发送，即一次发送一个报文，如图 5-4 所示。在接收方的 UDP，对 IP 层交上来的 UDP 用户数据报，在去除首部后就原封不动地交付上层的应用进程。也就是说，UDP 一次交付一个完整的报文。因此，应用程序必须选择合适大小的报文。若报文太长，UDP 把它交给 IP 层后，IP 层在传送时可能要进行分片处理，这会降低 IP 层的效率。反之，若报文太短，UDP 把它交给 IP 层后，会使 IP 数据报的首部的相对长度太大，这也降低了 IP 层的效率。

（4）UDP 没有拥塞控制。因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的。很多的实时应用（如：IP电话、实时视频会议等）要求源主机以恒定的速率发送数据，并且允许在网络出现拥塞时丢失一部分数据，但却不允许数据有太大的时延。UDP 协议正好适合这种要求。

（5）UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

（6）UDP的首部开销小，只有 8 个字节，比 TCP 的 20 个字节的首部要短。

         虽然某些实时应用需要使用没有拥塞控制的 UDP，但当很多的源主机同时都向网络发送高速率的视频流时，网络就有可能发生拥塞，结果大家都无法正常接收。因此，不使用拥塞控制功能的 UDP 有可能会引起网络发生严重的拥塞问题。

        还有一些使用 UDP 的实时应用，需要对 UDP 的不可靠的传输进行适当的改进，以减少数据的丢失。在这种情况下，应用进程本身可以在不影响应用实时性的前提下，增加一些可靠性的措施，如采用前向纠错或重传已丢失的报文。

二、UDP 的首部格式

        用户数据报 UDP 有两个部分组成：首部 + 数据部分。首部部分很简单，只有 8 个字节（如图 5-5），由四个字段组成，每个字段的长度都是两个字节。各字段含义如下：

（1）源端口：源端口号。在需要对方回信时选用。不需要使用时可用 0 填充。

（2）目的端口：目的端口号。这在终点交付报文时必须使用。

（3）长度：UDP 用户数据报的长度，其最小值是 8（即仅有首部部分），单位：字节。

（4）校验和：检测 UDP 用户数据报在传输过程中是否出错。有错就丢弃。

        当传输层从 IP 层收到 UDP 数据报时，就根据首部中的目的端口，把 UDP 数据报通过相应的端口，上交最后的终点——应用进程。图 5-6 是 UDP 基于端口分用的示意图。

        如果接收方 UDP 发现收到的报文中的目的端口号不正确（即不存在对应于该端口号的应用进程），就丢弃该报文，并由网际控制报文协议 ICMP(Internet Control Management Protocol) 发送 “端口不可达” 差错报文给发送方。

        请注意，虽然 在 UDP 之间的通信要用到其端口号，但由于 UDP 之间的通信是无连接的，因此不需要使用套接字socket（TCP 之间的通信必须要在两个套接字之间建立连接）。

三、UDP校验和

         UDP 用户数据报首部中的校验和的计算方法有些特殊。在计算校验和时，要在 UDP 用户数据报之前增加 12 个字节的伪首部。所谓“伪首部”是因为这种伪首部并不是 UDP 用户数据报真正的首部。只是在计算校验和时，临时添加在 UDP 用户数据报前面，得到一个临时的 UDP 用户数据报。校验和就是按照这个临时的 UDP 用户数据报来计算。伪首部既不向下传送也不向上递交，而仅仅是为了计算校验和。上图 5-5 的最上面给出了伪首部各字段的内容。

        UDP 计算检验和的方法和计算 IP 数据报首部校验和的方法类似。但不同的是：IP 数据报的校验和只检验 IP 数据报的首部，但 UDP 的校验和是把首部和数据部分一起都检验。在发送方，首先是先把全零放入首部中的校验字段和字段，再把伪首部以及 UDP 用户数据报看成是由许多 16 位的字串接起来的。若 UDP 用户数据报的数据部分不是偶数个字节，则要填入一个全零字节（但此字节不发送）。然后按照二进制反码计算出这些 16 位字的和。将此和的二进制反码写入检验和字段后，就发送这样的 UDP 用户数据报。在接收方，把收到的 UDP 用户数据报连同伪首部（以及可能的填充全零字节）一起，按二进制反码求这些 16 位字的和。当无差错时其结果应为全 1。否则就表明有差错出现，接收方就应丢弃这个 UDP 用户数据报（也可以上交给应用层，但附上出现了差错的警告）。

        图 5-7 给出了一个计算 UDP 校验和的例子。这里假定用户数据报的长度是 15 字节，因此要添加一个全 0 的字节。不难看出，这种简单的差错检验方法的检错能力并不强，当它的好处是简单，处理起来比较快。

        如图 5-5 所示，伪首部的第3个字段是零；第4个字段是 UDP 的协议字段值为 17；第5个字段是 UDP 用户数据报的长度。因此，这样的校验和，既检查了 UDP 用户数据报的源端口号和目的端口号以及 UDP 用户数据报的数据部分，又检查了 IP 数据报的源 IP 地址和目的 IP 地址。

四、UDP网络编程模型

客户端和服务器通信流程图，如下图所示：

参考

《计算机网络(第7版-谢希仁)》第5章