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UDP协议

2021-08-16 21:53 651 查看

1. 概述

用户数据报协议(UDP,User Datagram Protocol)为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的 IP 数据报的方法。UDP是一种保留消息边界的简单的面向数据报的协议。UDP不提供差错纠正、队列管理、重复消除、流量控制和拥塞控制,但提供差错检测。这种协议自身提供最小功能,想要保证数据被可靠传递或正确排序,应用程序必须自己实现这些保护功能。

2. UDP 的主要特点

  • UDP 是无连接的,即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。
  • 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。
  • UDP 是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文,在添加首部后就向下交付IP层。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。因此,应用程序必须选择合适大小的报文。
  • 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。很多的实时应用(如IP电话、实时视频会议等)要去源主机以恒定的速率发送数据,并且允许在网络发生拥塞时丢失一些数据,但却不允许数据有太多的时延。UDP正好符合这种要求。
  • UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
  • 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。

3. UDP 的首部格式

UDP有两个字段:数据字段和首部字段。首部字段很简单,只有8个字节,由4个字段组成,每个字段的长度都是两个字节。各字段意义如下:

  • 源端口: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:目的端口号。这在终点交付报文时必须要使用到。

  • 长度: UDP用户数据报的长度,其最小值是8(仅有首部),发送一个带0字节数据的UDP数据报是允许的。

  • 校验和:检测UDP用户数据报在传输中是否有错。有错就丢弃。

当运输层从 IP 层收到 UDP 数据报时,根据目的端口,通过相应的端口上交给应用进程。如果接收方 UDP发现报文中的目的端口号不正确(即不存在对应于该端口号的应用进程),就丢弃该报文,并由网际控制报文协议 ICMP 发送“端口不可达”差错报文给发送方。

4. UDP 校验和

UDP 校验和是一个端到端的传输层校验和,是对包含了IP头部中的源(Source)和目的IP地址(Destination Address)字段的 UDP 伪首部计算得到的。它由初始的发送方计算得到,由最终的目的方校验。它在传输中不会被修改(除非它通过一个NAT)。传输协议(如 TCP、UDP)使用校验和来覆盖它们的头部和数据。对于 UDP 来说,校验和是可选的,而其他的则是强制的。为了给应用程序提供无差错数据,在投递数据到接收方应用程序之前,必须计算校验和或者使用其他差错监测机制。

4.1 伪首部

在UDP伪首部中,包含32位源IP地址,32位目的IP地址,8位填充0,8位协议,16位UDP长度。伪首部并非TCP和UDP数据报中实际的有效成分。伪首部是一个虚拟的数据结构,其中的信息是从数据报所在IP分组头的分组头中提取的,既不向下传送也不向上递交,而仅仅是为计算校验和。

伪头部的目的是让UDP层验证数据是否已经到达正确的目的地(即,该IP没有接受地址错误的数据报,也没有给UDP一个本该其他传输协议的数据报),计算UDP校验和时覆盖的字段,包含了伪头部以及UDP头部和负载。

4.2 UDP 校验和计算方法

发送方:

  1. 看数据报是不是偶数字节数,若不是添加一个全0的字节填充(该字节不发送)。
  2. 将校验和字段置为全0
  3. 将伪首部以及UDP用户数据报看成由许多16位的字串起来的。
  4. 进行二进制反码求和,结果填入校验和字段发送。

接收方:

把收到的UDP用户数据报连同伪首部(以及可能的填充全零字节)一起,按二进制反码求这些16位字的和。当无差错时其结果应全为1。否则就表明有差错出现,接收方就丢弃此UDP用户数据报。如果校验和字段值为0x0000表示发送方没有计算校验和。

这里我们假定一个15字节的数据报

二进制求和过程

所以和为10010110 11101101—>取反01101001 00010010就是校验和。

5 UDP和TCP区别

角度 TCP UDP
连接 面向连接 无连接(发数据前不建立连接)
可靠性 可靠,使用流量和拥塞控制 不可靠,尽最大努力到达
连接对象 只能一对一通信 支持m:n四种通信,m>=1, n>=1
传输方式 面向字节流 面向报文
首部开销 20<=首部字节数<=60 首部开销小,仅8字节

问题1:TCP和UDP的使用场景

TCP UDP
使用场景 效率要求低,准确性或有连接要求
如远程登陆、邮件传输
对效率要求高,准确性要求低
如实时应用, IP电话、视频、直播等
应用层协议 SMTP-电子邮件
TELNET-远程登录
HTTP-万维网
FTP-文件传输
IP-Internet协议(IP)
ICMP-Internet控制信息
POP、SMTP-邮件传输
DNS-域名传输
TFTP-文件传输
SNMP-网络管理
NFS-远程文件服务器
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