计算机网络-UDP协议

1 概述

用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol），UDP作为传输层的一个重要的协议，它的主要的功能是在IP端到端的服务之上，增加了有限的两个功能：

1. 复用和分用的功能
2. 差错检测的功能

另外，虽然UDP协议只提供不可靠的交付，看起来似乎非常不完美，但是UDP协议在某些方面具有特殊的优点：

1. 比如我们在看在线视频的时候我们要求数据是最新的最快的，如果这个时候要求数据的准确性，那么会带来较大的延迟，就像我们在看直播球赛的时候，我们希望看到准备直播画面，而不是有延迟半分钟或一分钟的画面
2. 另外一个典型的例子，比如在网络管理过程中我们希望采集到网络的实时数据，这个时候网络管理会使用某种基于UDP协议的方式，采集到最新最快的数据，若是采集过来的数据有延迟，那么这个数据已经不是实时数据了，不能表示此时网络的状况了

所以在有些情况下，UDP协议简单快速的特点，比TCP协议更有优势

2 UDP的主要特点

1. UDP 是无连接的：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，这个特点是UDP协议的首要特点，可以这么说，UDP其他的特点，都是或多或少源自于这个特点
2. UDP 使用尽最大努力交付：即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表，发送端只需要把数据打包成UDP数据报，交给IP协议传输，中间经过了哪些路由器，最后有没有到达目的主机，数据有没有出错，需不需要重传，这些主机问题都不知道
3. UDP 是面向报文的：所谓报文就是应用层交下来的报文，应用层有各种各样的报文，比如HTTP报文，FTP报文等，根据不同的应用层协议封装成不同的报文，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。UDP 一次交付一个完整的报文，在网络层，IP协议可能会进行拆分工作

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，这会降低 IP 层的效率
• 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。很适合多媒体通信的要求，也就是说使用UDP协议的发送端，完全不会感知当前网路的状态是拥塞还是通畅，UDP协议还是会发送出去
5. UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信：这时目的主机不一定是单个主机，有可能是多个主机同时接收到发送端发送的UDP报文
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，这样也就意味着把数据组成UDP报文时所要做的工作更少，消耗资源小，发送速度也更快

3 UDP的首部格式

3.1 传输关系

UDP协议作为传输层的一个经典协议，它和上下层的传输关系如下：

1. 应用层会把应用层报文交付给运输层
2. 运输层的UDP协议，直接把上层交付下来的所有数据当作UDP数据报的数据部分，再加上UDP首部交付给下层IP层
3. IP层把运输层交付下来的整个UDP数据报当作IP数据报的数据部分，再加上IP首部，继续交给下一层
   
   

3.2 首部格式

• 除去两个端口号字段，还有一个长度字段，它用来标明整个UDP报文的长度是多少，最后一个字段是校验和字段，它实现了对整个UDP报文的校验功能
  

3.3 UDP 基于端口的分用和复用

1. 在UDP首部前两个字段当中，是源端口和目的端口，从接收端来讲，当接收端从 UDP报文中拆解出两个端口号之后，会根据端口号标识的内容，发送给上一层的应用程序，从而实现了端口的分用
2. 复用是分用的相反过程，应用程序把数据交付下来之后，其中的端口号就标明了这是哪一个应用进程，
   

3.4 UDP校验

• 在计算检验和时，临时把“伪首部”和 UDP 用户数据报连接在一起。伪首部仅仅是为了计算检验和
  
• 所谓伪首部，可以理解它就是一个假的，它并没有一个实际的地址空间，在进行UDP报文封装的时候并没有这部分内容，要不然UDP协议的首部是20 (8+12) 个字节，而不是我们所说的8个字节，实际传输过程中，也并没有这样的字段
• 设置这个伪首部，只是为了计算 校验和，这个伪首部包含的内容，如上图所示，这就有所疑问了，对于运输层来讲，本身没有IP地址这一概念，因为IP地址是在网络层中路由器转发所用的地址，为了计算校验和而强制引入的伪首部，包含IP地址信息，实际上会破坏网络分层，引入伪首部的目的，就是为了让UDP两次检查数据是不是正确的到达了目的地，其中一次是对UDP端口号和其他数据的校验，另一次是对IP地址的再校验，因为IP地址再路由器转发过程中，有可能会发现IP地址错误，所以UDP协议觉得IP地址校验是很有必要的
• 如下就是校验的例子，简单来说就是把首部部分，每2个字节写成一行，然后按列排下来，每一列对应的每一位进行求和，得出来的结果再求反码，再将其放入校验和的位置中