第十章 用户数据包协议UDP

User Datagram Protocol 用户数据报协议

UDP是一个保留消息边界的简单的面向数据包的传输层协议。
不提供：差错纠正、队列管理，重复消除流量控制和拥塞控制
提供：差错检验
简单来讲，就是UPD发送的数据包一个就是一个，又开始有结束（分组除外），用户写一个UDP发一个，服务端收一个。

UDP提供最小功能，因此，如果需要的话其上层需要实现想要的功能。

upd的无连接特征，比其他的传输协议使用更少的开销，广播和组播操作更多的使用udp这样的无连接传输协议。

2 upd头部

报文格式

UDP数据报

• 端口号：
  帮助协议辨认发送和接受的进程，纯属抽象的，不与主机上任何物理实体相关联。端口号为16bit的无符号整数。
  同时，因为IP数据报在IP层根据协议分配给了TCP和UDP，因此不同的协议独立维护一整套端口号，也就是同一台主机，同一时刻可以开启TCP，UDP切指定的端口号一致。
  传输层利用端口号辨别数据报需要投送的进程。
• 源端口号
  是可选的：发送者不需要接受者回复，设置为0
• 长度
  UDP长度字段是，UDP头部和UDP数据的总长度，以字节为单位。但是如果不满足是8的倍数，也不会被填充。最小值为8。
  如果不够还不能填充，因此，UDP的长度可以是奇数。
  UDP的长度字段是没有必要存在的，因为IP数据报包含数据报总长度，其减去IP数据报头部，就是荷载的有效长度了。
  冗余的根本原因在于，upd没有可选部分，也就是udp的头部是固定长度。
• 校验和
  发送端可以不校验，但是默认是要校验和。当不校验时其值为0

UDP的校验和

包括如下部分：
这个结构是在计算校验和的时候构造出来了，只是校验和的时候使用，在发送的时候并不会发送这个结构。

UDP校验和计算的部分

和ICMP的校验和相同，UDP的校验和也包含了荷载的数据。

UDP校验和不包括TTL这样，经过路由器的时候就不需要重新计算。
如果通过NAT，改变目的地址，那么就需要重新计算校验和。

在计算校验和的时候，如果数据长度为奇数，那么会填充一个0，但是仅仅是计算的时候填充，发送的时候并不会填充。
在计算的时候多加的12字节，（32*3bit）的伪头部，同样发送出去UDP数据报也不会包括伪头部。
在校验和中加入这个伪头部的意义在于：能够让接受UDP数据报的一端能够确认自己接受到的数据包是否是发给自己的，也就是目的ip地址是自己。（可能是因为UDP数据报头部没什么辨别标志吧）。

这里UDP长度被计算了两次。
计算过程应该是:

short checksum(unsigned short *buf, int nwords)
{
  //一个大于16位的变量
    unsigned long sum;
  //低位开始叠加，每次16bit
    for (sum = 0; nwords > 0; nwords--)
         sum += *buf++;
  //一个大于16位的值，如果左移16位不是0，表明发生进位
    while (sum >> 16)  
  //进位的值都是1，然后再加上原来的sum,但是使用0xffff将高位清空，也就是进位清空
  //只剩下低16位的值
         sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
  //返回得是反码
    return ~sum;
}

取反码是因为，当再次相加的时候结果就是0

如果接收端在计算校验和时，发现一个校验差错，也就是校验和不一样：
校验和错误的话，接收端会丢弃该数据报，并且没有任何的差错消息。
这个校验码在一定程度上也是多余的，因为在数据链路层也有crc校验。

10.7分片

链路层对每一个帧的最大长度有一个上限（MTU），如果数据报长度超过该值，将会被分片，同时，数据报分片还是能够再次分片的。

分片重组

当数据报被分片了，只有他到达最终目的地时，才会被重组。
原因在于，路由器充足分片会加重路由器负担。且不能保证所有分片都经过同一路由器，因此不可能在路由器重组。

报文

分片报文

只有第一片带有一个头部，其他的分片使用IP数据报的标识共享一个UDP头部。
标识字段是每一个数据报独有一个，不会重复。

在分片的时候，标识字段被复制为同一个，标志字段指示该片是否是最后一片（0），
分片偏移指示，荷载区数据在源数据报中的偏移量，单位为字节。
当分片产生是，第一片的偏移量为0，荷载为1480（包括头部），第二片偏移量为1480。
只要产生分片，那么除了最后一片，其他的分片大小都是8的倍数。
MF表示是否是最后一片：1表示不是，0表示是最后一片。

问题是，当分片通过NAT时，这个校验和怎么计算？

IP数据报

与分片有关

如果一片丢失，需要重传整个数据报，因此通常要避免分片。

分片传输

顺序

较大偏移量的分片比第一片优先投递，原因在于，较大的偏移量能够通知接收方，缓冲区设置为多大。
但另一方面，只有第一片有端口号。重组以后才会用到，因此是可以的。

超时

每一片分片达到，IP层启动一个计数器，且新的分片到达以后不会被重置。
这样计时器给出同一数据报分片之间被分割的最大时间限度。
当接受第一篇30s后，所有分片仍未到达，那么发送ICMP报文，通知对端超时，数据丢失，同时携带第一片的拷贝。

IP分片与ARP

当数据报分片以后，如果假设需要进行arp建立ip与mac的映射的话，过程是这样的：
某一片发送arp请求报文，如果在1秒内收到，那么其他分片直接发出。
否则，每一片都会发送arp请求，间隔为1s.

10.8数据报最大长度

这和分片的长度不同。
IP数据报最大长度为65535出去IP报头，剩余65527字节，可供UDP使用。
但是UDP的长度字段是一个16bit的只能到30000多。

但是数据报的最大长度仍被其他因素限制：

1. 系统本地协议实现
2. 接收方可能没准备好去处理这么大的数据
   缓存不够？
   UDP编程结构允许应用程序指定每次网络操作完成是返回的最大字节数，如果超过盖子结束，就会出现API阶段，也就是超出的数据直接丢弃了。

10.11UDP服务器设计

IP地址与UDP端口号

我们需要拿到发送方的端口号和IP地址，而这需要操作系统以其他的方式告诉进程。
因为发送给进程的数据，已经不在包含IP数据报头部，和UDP数据报头部，只有荷载数据。
也就是通常的accept()

限制本地IP地址

主要使用在一台服务器有多个网卡，多个对外地址时。
UDP服务器通常时期本地IP具有通配符的特点，也就是bind()时不绑定具体的IP。
这样，所有能够达到的数据报都会被接受。
如果指定了具体的IP，那么只有数据报的目的地址是指定IP的数据报才能被UDP接收，否则直接丢弃。
产生一个ICMP端口不可达。

多地址

多个ip公用一个端口
同一个主机上的多个服务器，可以同时绑定同一个端口。也就是多个服务端程序同时监听一个端口。需要告诉系统允许重用端口
需要指定bind()时的IP地址，同时SO_REUSEADDR需要被设置。
这个场景中潜在的条件是：服务器有多个ip，然后着多个ip都绑定了相同的端口。
当同时又指定ip的服务器和统配符的ip，那么指定ip的服务器具有较高的优先级。

限制远端IP

只接受指定IP的主机发送的信息。

同一端口多服务程序监听

默认同一端口对应一个套接字（IP：port），但是仍然可以在同一ip地址和端口上启动多个服务器程序。
需要设置SO_REUSEPORT，当数据报到达时，系统将一个数据报拷贝多分分别送给不同的服务器程序。

服务器共用套接字

一个ip地址，一个端口，绑定了多个服务器。（可能是多个进程）

同时需要开启SO_REUSEADDR。
当一个udp数据报到到达服务器的时候，该服务其只有一个进程能够接收到数据报，当服务器上多个进程都在监听同一个套接字，那么只有一个进程能够接收到数据报。
当队列溢出是，超额的数据被丢弃。没有ICMP报文
UDP没有拥塞控制，发送端没有合适的机制进行控制。称为拥塞控制缺失

拥塞控制

UPD服务器大多是迭代的，也就是说只有一个线程在服务有所的udp连接，而系统为每一个UDP端口维持一个有限大小的队列。UPD连接自动排入队列中，接收到UDP数据报以他们达到的顺序被传给应用程序（进程或进程）。
UPD不提供流量控制，当UDP处理队列满时，超额数据包被丢弃，且没有ICMP差错报文，