5.2 用户数据报协议UDP

思维导图：

 

课程笔记：5.2 用户数据报协议UDP

5.2.1 UDP概述

一、UDP基本概念

• 无连接协议：UDP是一个简单的面向数据报的传输层协议，不需要在数据传输前建立连接，故减少开销和延迟。
• 复用/分用：UDP允许多个应用层服务通过不同端口使用同一UDP服务。
• 差错检测：提供错误检查功能，但不提供错误修正。

二、UDP的特点

1. 无连接：无需连接建立、维护和拆除过程，适用于简单请求/应答模式，如DNS查询。
2. 尽力而为服务：不保证数据包的可靠到达，也无拥塞控制，简化了协议的复杂性。
3. 面向报文：
   • 应用层数据传给UDP多长，UDP就保持原样传输，不合并也不分割。
   • 报文边界保留：应用层可以更好地控制要发送的数据和数据格式。
   • 报文长度选择的重要性：太长可能导致IP层分片，效率降低；太短可能导致首部开销大，也降低效率。
4. 无拥塞控制：适用于实时应用，例如IP电话、视频会议，要求稳定速率发送，可接受一定数据丢失，不容忍大时延。
5. 通信方式多样：支持一对一、一对多、多对一和多对多交互通信。
6. 首部开销小：只有8字节，较TCP的至少20字节首部轻便。

三、问题与应对

• 网络拥塞问题：由于UDP缺乏拥塞控制，高速传输的实时视频等应用可能导致网络严重拥塞。
• 提高可靠性：一些实时应用可能在不牺牲实时性的情况下，增加如前向纠错或重传机制，以减少数据丢失。

图例解析：图5-4展示了UDP面向报文的特性，展现了从应用层到传输层再到网络层的数据传递过程。

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笔记总结：

• UDP是一个简单、高效但不可靠的协议。
• 它主要用于那些对时延敏感、能容忍数据丢失的应用，例如流媒体。
• UDP在首部开销和传输时延上有优势，但在网络可靠性和拥塞控制方面存在劣势。
• 实际应用中，可能需要在应用层引入额外的机制以补偿UDP的不可靠性。

我的理解：

想象一下你正在玩一个快节奏的篮球比赛，篮球比赛的特点可以帮助我们理解UDP的特性：

1. 无连接：

   • 篮球比赛： 当你有球时，你不需要告诉队友“我现在要传球”，你只是直接将球扔给他们。
   • UDP： 就像这种直接传球，UDP发送数据时不需要先建立连接，直接将数据包发送出去。

2. 尽力而为服务：

   • 篮球比赛： 你传球时，球可能会被对手拦截或你的队友没接住，但你仍会不断尝试传球。
   • UDP： 类似地，UDP在发送数据包时，不保证每个数据包都能成功到达，有的可能会丢失，但它不会停下来修正这个问题。

3. 面向报文：

   • 篮球比赛： 每一次传球就像是一个完整的动作，你不会将球切成几部分传递给队友。
   • UDP： 同样，UDP处理数据时，会将每一段数据作为一个独立的整体（报文）发送，而不会将它拆分或合并。

4. 无拥塞控制：

   • 篮球比赛： 不管场上多拥挤，你还是会以相同的方式传球，不会因为对方防守紧就放慢游戏节奏。
   • UDP： 即使网络状况拥堵，UDP也会以原定速率发送数据，不会调整发送速度来适应网络状况。

5. 效率与轻量级：

   • 篮球比赛： 篮球运动装备简单，只需要球衣、短裤和球鞋，让运动员能够快速移动。
   • UDP： 类似地，UDP的头部信息简单，仅8个字节，使得处理起来既快速又轻便。

6. 多种通信方式：

   • 篮球比赛： 你可以选择传球给任何一个队友（一对多），或者多个队友集中传球给你（多对一）。
   • UDP： 这反映了UDP的灵活性，可以支持一对一、一对多、多对一、多对多的通信模式。

7. 差错检测：

   • 篮球比赛： 如果裁判看到一个违规动作，他会吹哨示意，但不会干预游戏结果（比如不会取消得分）。
   • UDP： 类似的，UDP有差错检测功能，可以发现数据包中的错误，但它不会尝试修正错误，只是简单地丢弃有错误的数据包。

5.2.2 UDP首部格式

基本结构

UDP（用户数据报协议）的首部非常简洁，总共只有8个字节。首部包括四个字段，每个字段长度为2个字节。

字段详解

1. 源端口（Source Port）

   • 用于标识发送端应用程序的端口号。
   • 如果不需要接收方回复消息，可以设置为全0。

2. 目的端口（Destination Port）

   • 用于识别接收端应用程序的端口号。
   • 这个字段在数据报到达目的地时必须被使用，以确保数据能被正确交付给应用层。

3. 长度（Length）

   • 表示UDP数据报的总长度，包括首部和数据载荷。
   • 最小值是8字节（即只有首部，没有数据）。

4. 检验和（Checksum）

   • 用于检测数据在传输过程中的任何变化。
   • 如果发现错误，接收端将丢弃该数据报。

伪首部（Pseudo Header）

• 在计算检验和时，需要在UDP数据报前加上一个12字节的伪首部，但这不是UDP数据报的实际一部分，不会传输。
• 伪首部包括：源IP地址、目的IP地址、保留字段（全零）、协议类型（对于UDP是17）以及UDP长度。

检验和计算

• UDP检验和计算涉及伪首部和UDP数据报（首部+数据）。
• 数据部分不是偶数字节时，需要填充一个全零字节来计算检验和，但这个字节不会实际发送。
• 使用二进制反码运算求和，然后对结果取反码作为检验和。

数据交付和分用

• 当IP层接收到UDP数据报，会根据首部中的目的端口号，将数据报传递到对应端口的应用程序。
• 如果目的端口号不正确或不存在，数据报将被丢弃，并可能通过ICMP发送一个“端口不可达”的消息给发送方。

注意事项

• UDP通信是无连接的，不需要像TCP一样在通信双方之间建立一个连接。
• UDP适用于不需要可靠传输的应用场景，如视频流或在线游戏。

图解

• 图5-5展示了UDP数据报的首部和伪首部结构。
• 图5-6展示了UDP基于端口的分用过程。

 我的理解：

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）首部格式是指在UDP数据报中用于标识不同通信信息的部分，其结构简洁但承载了传输过程中的关键信息。为了更形象地理解UDP首部格式，我们可以借助一些比喻和类比：

比喻1：邮件系统

可以将UDP比作邮政系统中的一封普通信件：

• 源端口：这就像是信封上的发件人地址。如果你希望对方回信，你会写上你的地址；如果不期待回信，那么这个地方可以不填写。
• 目的端口：类似于收件人地址。没有正确的收件地址，邮件就无法送达目的地。
• 长度：这就好比信封的大小，它告诉邮局这封信的总重量（即首部加上信件内容的总长度）。
• 检验和：就像是一种检查机制，确认信件在途中没有被破坏。如果邮局发现信件损坏，它就会丢弃它，因为它无法确认信的内容是否完整。

 总结：

重点：

1. 首部结构：理解UDP首部的基本结构，包括它的四个字段：源端口号、目的端口号、长度和检验和。
2. 端口功能：
   • 源端口号：通常用于接收回复，如果不需要回复，则可以设置为零。
   • 目的端口号：用于指定接收数据报的应用程序，对于数据报的正确路由至关重要。
3. 长度字段：包括首部和数据两部分的总长度，它的最小值为8字节（只有首部时）。
4. 检验和：用于检测数据在传输过程中的任何错误。如果检验和不匹配，接收方将丢弃该数据报。

难点：

1. 检验和的计算：理解检验和如何计算是较难的部分，因为它不仅包括UDP首部和数据部分，还包括一个伪首部。
2. 伪首部的概念：伪首部在计算检验和时使用，但它实际上并不是UDP数据报的一部分。理解它的作用和构成是理解UDP检验和计算的关键。
3. 检验和的验证：在接收方，如何利用接收到的检验和进行验证，以确定数据是否完整。

易错点：

1. 伪首部的忽略：学习者可能会忽视伪首部的重要性或者误以为它是UDP数据报的实际组成部分。
2. 长度字段误解：可能会误认为长度字段只包括数据部分的长度，而实际上它包括首部加数据的总长度。
3. 端口号的混淆：不清楚源端口和目的端口的区别和用途可能导致混淆。例如，认为目的端口在发送方是不必要的或者源端口在接收方不重要。
4. 检验和的计算错误：在检验和的计算过程中，由于涉及多个步骤和对伪首部的使用，易于出现错误。特别是在手动计算或模拟过程中，错过任何一个步骤都会导致计算结果不正确。
5. 检验和的二进制反码理解：在计算检验和时，二进制反码计算可能会让人感到困惑，特别是对于不熟悉二进制操作的学习者。

在学习UDP首部格式时，理解每个字段的作用及其在数据传输中的意义，以及如何正确计算和验证检验和，是确保掌握这一节内容的关键。