前言

上一篇说了路由协议相关知识点，包括如何通过路由规则选择数据报出口，动态路由协议等信息。

今天是五一，那么就来聊一下UDP相关的知识点，依然是八股文。

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如果MAC层定义了本地局域网的传输行为， IP层定义了整个网络端到端的传输行为， 这两层基本定义了这样的现象：网络传输是以包为单位的，二层叫帧，网络层叫包，传输层叫段。包单独传输，自行选路，在不同的设备封装解封装，不保证到达。

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UDP

UDP是一个简单的面向数据包的运输层协议

进程的每个输出操作都正好产生一个UDP数据报，并组装成一份待发送的IP数据报。

UDP不提供可靠性，只负责把应用程序传给IP层的数据发送出去，但并不保证它们能到达目的地。

「UDP特点」

• 沟通简单
• 随意传输，谁都可以传输数据到相应端口上
• 不会根据网络情况进行改变

1、UDP首部

端口号表示发送进程和接收进程。

由于IP层已经把IP数据报分配给TCP或UDP（根据IP首部中协议字段值）

因此TCP端口号由TCP来查看，而UDP端口号由UDP来查看。

TCP端口号与UDP端口号是相互独立的。

UDP长度字段值是UDP首部和UDP数据的字节长度。

最小值为8字节，也就是没有数据

IP数据报长度值是数据报全长，因此UDP数据报长度是全长减去IP首部的长度。

2、UDP校验和

UDP检验和覆盖UDP首部和UDP数据，而IP检验和只覆盖IP的首部，不涉及到数据。

UDP的检验和是可选的，而TCP的检验和是必需的。

UDP检验和的基本计算方法与IP首部检验和计算方法类似，但存在不同点。

UDP数据报的长度可以为奇数字节，但检验和算法是把若干个16bit字相加。解决方法是在必要时在最后增加填充字节0，这只是为了检验和的计算。

UDP数据报和TCP端都包含一个12字节长的伪首部，为了计算检验和而设置的。

伪首部包含IP首部的一些字段，目的是让UDP两次检查数据是否已经正确到达目的地。

如果检验和的计算结果是0，则存入的值为全1（65535），这在二进制反码计算中是等效的。

如果传送的检验和为0，说明发送端没有计算检验和。

如果发送端没有计算检验和而接收端检测到检验和有差错，那么UDP数据报就要被悄悄地丢弃。

3、IP分片

「当需发送的数据包大小大于路径MTU时，就需要进行IP数据报分片」

把一份IP数据报分片以后，只有到达目的地才进行重新组装。

重新组装由目的端的IP层来完成，目的是使分片和重新组装过程对运输层（TCP和UDP）是透明的。

已经分片过的数据报有可能会再次进行分片，IP首部中包含的数据为分片和重新组装提供了足够的信息。

对于发送端发送的每份IP数据报来说，其标识字段都包含一个唯一值，在数据报分片时非复制到每个片中。

标志字段用其中一个比特来表示“更多的片”。

除了最后一片外，其他每个组成数据报的片都要把该比特置 1。

片偏移字段指的是该片偏移原始数据报开始处的位置。

当数据报被分片后，每个片的总长度值要改为该片的长度值。

标志字段中有一个比特称作“不分片”位，如果这一比特为1，IP将不对数据报进行分片。相反把数据报丢弃并发送一个ICMP差错报文。

当IP数据报分片后，每一片都成为一个分组，有自己的IP首部，并在选择路由器时与其他分组独立。固有可能在到达目的端时失序。

一片数据的丢失也要重传整个数据报。因为对数据报分片的是中间路由器，而不是起始端系统，后者根本不知道数据报是如何分片的。

4、ICMP不可达报错（需分片）

发生ICMP不可达差错的另一种情况是，当路由器收到一份需要分片的数据报，而在IP首部又设置了不分片（DF）的标志比特。

如果路由器没有提供过这种新的ICMP差错报文格式，那么下一站的MTU就设为0.

5、Traceroute

能深入探索TCP/IP协议的方便可用的工具。

不能保证从源端发往目的端的两份连续的IP数据报具有相同的路由。

开始时发送一个TTL字段为1的UDP数据报，然后将TTL字段每次加1，以确定路径中的每个路由器。每个路由器在丢弃UDP数据报时都返回一个ICMP超时报文2，而最终目的主机则产生一个ICMP端口不可达的报文。

Traceroute除了能发现路由之外，还能用它来确定路径MTU。

「确定路径MTU：」 发送分组，设置“不分片”标志比特。发送的第一个分组长度正好与出口MTU相等，每次收到ICMP“不能分片”差错是就减少分组的长度。

6、最大UDP数据报长度

理论上，IP数据报的最大长速度是65535字节，这是IP首部16比特总长度字段所限制的。

去除20字节的IP首部和8字节的UDP首部，UDP数据报中用户数据的最长长度为65507字节。

但一般实现所提供的长度比这个最大值小。

两个限制因素：

（1）应用程序可能会受到其程序接口的限制。例如socket API可以设置接收和发送缓存的长度。

（2）TCP/IP的内核实现。可能存在一些实现特性（或差错），使IP数据报长度小于65535字节。

7、ICMP源站抑制报错

当一个系统接收数据报的速度比其处理速度快时，可能会产生此报错。

「可能」一词是因为即使一个系统已经没有缓存并丢弃数据报，也不要求它一定要发送源站抑制报文。

UDP与TCP的区别

（1） TCP是面向连接的，UDP是面向无连接的。

「什么是面向连接？」

面向连接的协议会先建立连接，例如，TCP会进行三次握手，UDP不会。

所谓的建立连接，是为了在客户端和服务端维护连接，而建立一定的数据结构来维护双方交互的状态，用这样的数据结构来保证所谓的面向连接的特性。

（2）TCP提供可靠交互，通过TCP连接传输的数据，无差错、不丢失、不重复、按序到达。

而UDP继承了IP包的特性，不保证不丢失，不保证按顺序到达。

（3）TCP是面向字节流的，而UDP继承了IP的特性，基于数据包的，一个一个发，一个一个收。

（4）TCP有拥塞控制，根据接收方的吞吐量控制发送速度，但UDP没有。

（5）TCP是有状态的服务，UDP是无状态服务。

使用场景

• 需要资源少，在网络情况较好的内网，或者对于丢包不敏感的应用。
• 不需要建立连接，而是可以广播的应用DHCP就是一种广播的形式，基于UDP协议。多播，D类地址，也即组播地址。使用此地址可将包组播给一批机器。
• 需要处理速度快，时延低，可以容忍少数丢包，但是要求即便网络拥塞，也不改变发送速度。

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