UDP协议详解

UDP协议详解
我们已经讲解了物理层、连接层和网络层。最开始的连接层协议种类繁多(Ethernet、Wifi、ARP等等)。到了网络层，我们只剩下一个IP协议(IPv4和IPv6是替代关系)。进入到传输层(transport layer)，协议的种类又开始繁多起来(比如TCP、UDP、SCTP等)。这就好像下面的大树，根部(连接层)分叉很多，然后统一到一个树干(网络层)，到了树冠(传输层)部分又开始开始分叉，而每个树枝上长出更多的树叶(应用层)。我们在网络层已经看到，通过树干的统一，我们实现了一个覆盖全球的互联网络(Internet)。然而，我们可能出于不同的目的利用这张“网”，随之使用的方式也有所区分。不同的传输层协议(以及更多的应用层协议)正是我们使用“网”的不同方式的体现。

网络分层的“艺术”观点

传输层最重要的协议为TCP协议和UDP协议。这两者使用“网”的方式走了两个极端。两个协议的对比非常有趣。TCP协议复杂，但传输可靠。UDP协议简单，但传输不可靠。其他的各个传输层协议在某种程度上都是这两个协议的折中。我们先来看传输层协议中比较简单的UDP协议。我们将参考许多之前文章的内容(协议森林01,03,05)。

UDP协议简介

UDP(User Datagram Protocol)传输与IP传输非常类似。你可以将UDP协议看作IP协议暴露在传输层的一个接口。UDP协议同样以数据包(datagram)的方式传输，它的传输方式也是"Best Effort"的，所以UDP协议也是不可靠的(unreliable)。那么，我们为什么不直接使用IP协议而要额外增加一个UDP协议呢？ 一个重要的原因是IP协议中并没有端口(port)的概念。IP协议进行的是IP地址到IP地址的传输，这意味者两台计算机之间的对话。但每台计算机中需要有多个通信通道，并将多个通信通道分配给不同的进程使用(关于进程，可以参考Linux进程基础)。一个端口就代表了这样的一个通信通道。正如我们在邮局和邮差中提到的收信人的概念一样。UDP协议实现了端口，从而让数据包可以在送到IP地址的基础上，进一步可以送到某个端口。

UDP：依然不是那么“可靠”

尽管UDP协议非常简单，但它的产生晚于更加复杂的TCP协议。早期的网络开发者开发出IP协议和TCP协议分别位于网络层和传输层，所有的通信都要先经过TCP封装，再经过IP封装(应用层->TCP->IP)。开发者将TCP/IP视为相互合作的套装。但很快，网络开发者发现，IP协议的功能和TCP协议的功能是相互独立的。对于一些简单的通信，我们只需要“Best Effort”式的IP传输就可以了，而不需要TCP协议复杂的建立连接的方式(特别是在早期网络环境中，如果过多的建立TCP连接，会造成很大的网络负担，而UDP协议可以相对快速的处理这些简单通信)。UDP协议随之被开发出来，作为IP协议在传输层的"傀儡"。这样，网络通信可以通过应用层->UDP->IP的封装方式，绕过TCP协议。由于UDP协议本身异常简单，实际上只为IP传输起到了桥梁的作用。我们将在TCP协议的讲解中看到更多TCP协议和UDP协议的对比。

IP和他的傀儡UDP

UDP的数据包同样分为头部(header)和数据(payload)两部分。UDP是传输层(transport layer)协议，这意味着UDP的数据包需要经过IP协议的封装(encapsulation)，然后通过IP协议传输到目的电脑。随后UDP包在目的电脑拆封，并将信息送到相应端口的缓存中。

UDP协议的头部

来自wikipedia

上面的source port和destination port分别为UDP包的出发端口和目的地端口。Length为整个UDP包的长度。

checksum的算法与IP协议的header checksum算法相类似。然而，UDP的checksum所校验的序列包括了整个UDP数据包，以及封装的IP头部的一些信息(主要为出发地IP和目的地IP)。这样，checksum就可以校验IP：端口的正确性了。在IPv4中，checksum可以为0，意味着不使用checksum。IPv6要求必须进行checksum校验。

端口与socket

端口(port)是伴随着传输层诞生的概念。它可以将网络层的IP通信分送到各个通信通道。UDP协议和TCP协议尽管在工作方式上有很大的不同，但它们都建立了从一个端口到另一个端口的通信。

IP：端口

随着我们进入传输层，我们也可以调用操作系统中的API，来构建socket。Socket是操作系统提供的一个编程接口，它用来代表某个网络通信。应用程序通过socket来调用系统内核中处理网络协议的模块，而这些内核模块会负责具体的网络协议的实施。这样，我们可以让内核来接收网络协议的细节，而我们只需要提供所要传输的内容就可以了，内核会帮我们控制格式，并进一步向底层封装。因此，在实际应用中，我们并不需要知道具体怎么构成一个UDP包，而只需要提供相关信息(比如IP地址，比如端口号，比如所要传输的信息)，操作系统内核会在传输之前会根据我们提供的相关信息构成一个合格的UDP包(以及下层的包和帧)。socket是一个比较大的课题，在协议森林系列中不会过多深入。

(在原始Python服务器我们讨论了如何使用socket建立一个TCP连接，可以作为一个参考)

端口是传输层带来的最重要的概念。我们进一步了解了UDP协议。如果已经掌握了IP协议，那么UDP协议就没有任何困难可言，它只是IP协议暴露在传输层上的接口。

UDP套接口是无连接的、不可靠的数据报协议；既然他不可靠为什么还要用呢？其一：当应用程序使用广播或多播时只能使用UDP协议；其二：由于他是无连接的，所以速度快。因为UDP套接口是无连接的，如果一方的数据报丢失，那另一方将无限等待，解决办法是设置一个超时。

建立UDP套接口时socket函数的第二个参数应该是SOCK_DGRAM，说明是建立一个UDP套接口；由于UDP是无连接的，所以服务器端并不需要listen或accept函数。

使用UDP套接字编程可以实现基于TCP/IP协议的面向无连接的通信，它分为服务器端和客户端两部分，其主要实现过程如图3.1所示。