理解 UDP

JerryC發表於2017-03-02
UDP

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UDP 和 TCP 的不同

TCP 在傳送資料之前必須先建立連線，資料傳送結束後要釋放連線。
TCP 不提供廣播或多播服務，由於 TCP 要提供可靠的、面向連線的運輸服務，因此不可避免地增加了許多的開銷，如確認、流量控制、計時器以及連線管理等。

而 UDP 在傳送資料之前不需要先建立連線。接收方收到 UDP 報文之後，不需要給出任何確認。
雖然 UDP 不提供可靠交付，但在某些情況下 UDP 卻是一種最有效的工作方式。

簡單來說就是：

UDP：單個資料包，不用建立連線，簡單，不可靠，會丟包，會亂序；

TCP：流式，需要建立連線，複雜，可靠 ，有序。

UDP 概述

UDP 全稱 User Datagram Protocol, 與 TCP 同是在網路模型中的傳輸層的協議。

UDP 的主要特點是：

  1. 無連線的，即傳送資料之前不需要建立連線，因此減少了開銷和傳送資料之前的時延。
  2. 不保證可靠交付，因此主機不需要為此複雜的連線狀態表
  3. 面向報文的，意思是 UDP 對應用層交下來的報文，既不合並，也不拆分，而是保留這些報文的邊界，在新增首部後向下交給 IP 層。
  4. 沒有阻塞控制，因此網路出現的擁塞不會使傳送方的傳送速率降低。
  5. 支援一對一、一對多、多對一和多對多的互動通訊，也即是提供廣播和多播的功能。
  6. 首部開銷小，首部只有 8 個位元組，分為四部分。

UDP 的常用場景：

  1. 名字轉換（DNS）
  2. 檔案傳送（TFTP）
  3. 路由選擇協議（RIP）
  4. IP 地址配置（BOOTP，DHTP）
  5. 網路管理（SNMP）
  6. 遠端檔案服務（NFS）
  7. IP 電話
  8. 流式多媒體通訊

UDP 報文結構

UDP 資料包分為資料欄位和首部欄位。
首部欄位只有 8 個位元組，由四個欄位組成，每個欄位的長度是 2 個位元組。

理解 UDP
UDP 資料包結構.png

首部各欄位意義：

  1. 源埠：源埠號，在需要對方回信時選用，不需要時可全 0.
  2. 目的埠：目的埠號，在終點交付報文時必須要使用到。
  3. 長度：UDP 使用者資料包的長度，在只有首部的情況，其最小值是 8 。
  4. 檢驗和：檢測 UDP 使用者資料包在傳輸中是否有錯，有錯就丟棄。

UDP 如何進行校驗和

偽首部

UDP 資料包首部中檢驗和的計算方法比較特殊。
在計算檢驗和時，要在資料包之前增加 12 個位元組的偽首部，用來計算校驗和。
偽首部並不是資料包真正的首部，是為了計算校驗和而臨時新增在資料包前面的，在真正傳輸的時候並不會把偽首部一併傳送。

理解 UDP
UDP 資料包結構-偽首部.png

偽首部個欄位意義：

  1. 第一欄位，源 IP 地址
  2. 第二欄位，目的 IP 地址
  3. 第三欄位，欄位全 0
  4. 第四欄位，IP 首部中的協議欄位的值，對於 UDP，此欄位值為 17
  5. 第五欄位，UDP 使用者資料包的長度

校驗和計算方法

校驗和的計算中，頻繁用到了二進位制的反碼求和運算，運算規則見下：

二進位制反碼求和運算

0 + 0 = 0
1 + 0 = 0 + 1 = 1
1 + 1 = 10複製程式碼

其中 10 中的 1 加到了下一列去，如果是最高列的 1 + 1 ，那麼得到的 10 留下 0 , 1 移到最低列，與最低位再做一次二進位制加法即可。

檢驗和計算過程

  1. 把首部的檢驗和欄位設定為全 0
  2. 把偽首部以及資料段看成是許多 16 位的字串接起來。
  3. 若資料段不是偶數個位元組，則填充一個全 0 位元組，但是這個位元組不傳送。
  4. 通過二進位制反碼運算，計算出 16 位字的和。
    1. 讓第一行和第二行做二進位制反碼運算。
    2. 將第一行和第二行的結果與第三行做二進位制反碼計算，以此類推。
  5. 最後運算結果取反，得到校驗和。
  6. 把計算出來的校驗和值，填入首部校驗和欄位。

接收方收到資料包之後，按照同樣的方法計算校驗和，如果有差錯，則丟棄這個資料包。

可以看出校驗和，既檢查了 UDP 使用者資料包的源埠號和目的埠號以及資料包的資料部分，又檢查了 IP 資料包的源 IP 地址和目的地址。

一個校驗和例子
假設一個 UDP 資料包：

理解 UDP
UDP 校驗和.png

各欄位以二進位制表示：

1001 1001 0001 0011 //偽首部源IP地址前16位，值：153.19
0000 1000 0110 1000 //偽首部源IP地址後16位，值：8.104
1010 1011 0000 0011 //偽首部目的IP地址前16位，值：171.3
0000 1110 0000 1011 //偽首部目的IP地址後16位，值：14.11
0000 0000 0001 0001 //偽首部UDP協議欄位代表號，值：17
0000 0000 0000 1111 //偽首部UDP長度欄位，值：15
0000 0100 0011 1111 //UDP頭部源IP地址對應的程式埠號，值：1087
0000 0000 0000 1101 //UDP頭部目的IP地址對應的程式埠號，值：13
0000 0000 0000 1111 //UDP頭部UDP長度欄位，值：15
0000 0000 0000 0000 //UDP頭部UDP檢驗和，值：0
0101 0100 0100 0101 //資料欄位
0101 0011 0101 0100 //資料欄位
0100 1001 0100 1110 //資料欄位
0100 0111 0000 0000 //資料欄位+填充0欄位複製程式碼

按照二進位制反碼運算求和，結果：10010110 11101101
結果求反碼得出校驗和：01101001 00010010

參考

二進位制反碼求和運算
《後臺開發 核心技術與應用實踐》
《計算機網路》

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