网络协议 - UDP 协议详解

基于TCP和UDP的协议非常广泛,所以也有必要对UDP协议进行详解。@pdai

UDP概述

UDP(User Datagram Protocol)即用户数据报协议,在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包,是一种无连接的协议。在OSI模型中,在第四层——传输层,处于IP协议的上一层。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP协议从问世至今已经被使用了很多年,虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖,但是即使是在今天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。UDP报文没有可靠性保证、顺序保证和流量控制字段等,可靠性较差。但是正因为UDP协议的控制选项较少,在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高,适合对可靠性要求不高的应用程序,或者可以保障可靠性的应用程序,如DNS、TFTP、SNMP等。

UDP特点

UDP提供不可靠服务,具有TCP所没有的优势:

  • UDP无连接,时间上不存在建立连接需要的时延。空间上,TCP需要在端系统中维护连接状态,需要一定的开销。此连接装入包括接收和发送缓存,拥塞控制参数和序号与确认号的参数。UCP不维护连接状态,也不跟踪这些参数,开销小。空间和时间上都具有优势。 举个例子:

    • DNS如果运行在TCP之上而不是UDP,那么DNS的速度将会慢很多。
    • HTTP使用TCP而不是UDP,是因为对于基于文本数据的Web网页来说,可靠性很重要。
    • 同一种专用应用服务器在支持UDP时,一定能支持更多的活动客户机。
  • 分组首部开销小,TCP首部20字节,UDP首部8字节。

  • UDP没有拥塞控制,应用层能够更好的控制要发送的数据和发送时间,网络中的拥塞控制也不会影响主机的发送速率。某些实时应用要求以稳定的速度发送,能容 忍一些数据的丢失,但是不能允许有较大的时延(比如实时视频,直播等)

  • UDP提供尽最大努力的交付,不保证可靠交付。所有维护传输可靠性的工作需要用户在应用层来完成。没有TCP的确认机制、重传机制。如果因为网络原因没有传送到对端,UDP也不会给应用层返回错误信息

  • UDP是面向报文的,对应用层交下来的报文,添加首部后直接乡下交付为IP层,既不合并,也不拆分,保留这些报文的边界。对IP层交上来UDP用户数据报,在去除首部后就原封不动地交付给上层应用进程,报文不可分割,是UDP数据报处理的最小单位。 正是因为这样,UDP显得不够灵活,不能控制读写数据的次数和数量。比如我们要发送100个字节的报文,我们调用一次sendto函数就会发送100字节,对端也需要用recvfrom函数一次性接收100字节,不能使用循环每次获取10个字节,获取十次这样的做法。

  • UDP常用一次性传输比较少量数据的网络应用,如DNS,SNMP等,因为对于这些应用,若是采用TCP,为连接的创建,维护和拆除带来不小的开销。UDP也常用于多媒体应用(如IP电话,实时视频会议,流媒体等)数据的可靠传输对他们而言并不重要,TCP的拥塞控制会使他们有较大的延迟,也是不可容忍的

  • UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信

还要注意的是:

  • IP 数据报要经过互连网中许多路由器的存储转发;UDP 用户数据报是在运输层的端到端抽象的逻辑信道中传送的。

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。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

UDP的首部格式

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。

  • 源端口: 占16位、源端口号。在需要对方回信时选用。不需要时可用全0。
  • 目的端口: 占16位、目的端口号。这在终点交付报文时必须使用。
  • 长度: 占16位、UDP用户数据报的长度,其最小值是8(仅有首部)。
  • 检验和: 占16位、检测UDP用户数据报在传输中是否有错。有错就丢弃。

请注意,虽然在 UDP 之间的通信要用到其端口号,但由于 UDP 的通信是无连接的,因此不需要使用套接字。

UDP校验

UDP校验和的计算方法和IP数据报首部校验和的计算方法相似,都使用二进制反码运算求和再取反,但不同的是:IP数据报的校验和之检验IP数据报和首部,但UDP的校验和是把首部和数据部分一起校验

发送方,首先是把全零放入校验和字段并且添加伪首部,然后把UDP数据报看成是由许多16位的子串连接起来,若UDP数据报的数据部分不是偶数个字节,则要在数据部分末尾增加一个全零字节(此字节不发送),接下来就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校验和字段。在接收方,把收到得UDP数据报加上伪首部(如果不为偶数个字节,还需要补上全零字节)后,按二进制反码计算出这些16位字的和。当无差错时其结果全为1,。否则就表明有差错出现,接收方应该丢弃这个UDP数据报。

下图是计算UDP校验和的例子:

注意:

  • 校验时,若UDP数据报部分的长度不是偶数个字节,则需要填入一个全0字节,但是次字节和伪首部一样,是不发送的。
  • 如果UDP校验和校验出UDP数据报是错误的,可以丢弃,也可以交付上层,但是要附上错误报告,告诉上层这是错误的数据报。
  • 通过伪首部,不仅可以检查源端口号,目的端口号和UDP用户数据报的数据部分,还可以检查IP数据报的源IP地址和目的地址。 这种差错检验的检错能力不强,但是简单,速度快。

參考文章

  • https://blog.csdn.net/dog250/article/details/6896949
  • https://blog.csdn.net/qq_42196196/article/details/83956689
  • https://cloud.tencent.com/developer/article/1004554
  • https://blog.csdn.net/aa1928992772/article/details/85240358

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