用户数据报UDP

2023-11-08

UDP概述

UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了很少一点的功能，即端口的功能和差错检测的功能
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UDP 的主要特点

UDP 是无连接的，不需要建立连接，直接发送数据（发送完以后也不需要释放连接）
UDP 使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，同时也不使用拥塞控制
UDP 是面向报文的，UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分。这就是说，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。同理在接收方的UDP,对IP层交上来的UDP用户数据报，在去除首部后就原封不动地交付上层的应用进程。也就是说，UDP一次交付一个完整的报文。所以应用程序必须选择合适大小的报文。
图一

图二
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。这对某些实时应用是很重要的。很多的实时应用（如IP电话、实时视频会议等）要求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大的时延。UDP正好适合这种要求
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

UDP 的首部格式

用户数据报 UDP 有两个字段：数据字段和首部字段。首部字段有 8 个字节，由 4 个字段组成，每个字段都是两个字节。
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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使用
长度：UDP用户数据报的长度，其最小值是8（UDP 首部+UDP 用户数据报的数据部分）
检验和：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，就根据首部中的目的端口，把UDP数据报通过相应的端口，上交最后的终点----应用进程。下图是UDP基于端口分用的示意图
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如果接收方UDP发现收到的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。

检验和
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。所谓伪首部是因为这种伪首部并不是UDP用户数据报真正的首部。只是在计算检验和时，临时添加在UDP用户数据报前面，得到一个临时的UDP用户数据报。检验和就是按照这个临时的UDP用户数据报来计算的。伪首部既不向下传送也不向上递交，而仅仅是为了计算检验和。下图给出了伪首部各字段的内容。

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检验和计算方法
UDP的检验和是把首部和数据部分一起都检验。

在发送方

首先是先把全零放入检验和字段。
再把伪首部以及UDP用户数据报看成是由许多16位的字串接起来的。若UDP用户数据报的数据部分不是偶数个字节，则要填入一个全零字节（但此字节不发送）。
然后按二进制计算出这些16位字的和，然后再对结果取反，将0->1,1->0。将此和的二进制取反结果写入检验和字段后，就发送这样的UDP用户数据报。

在接收方

把收到的UDP用户数据报连同伪首部一起（若UDP用户数据报的数据部分不是偶数个字节，则要填入一个全零字节），按二进制反码求这些16位字的和。
当无差错时其结果应为全1。否则就表明有差错出现，接收方就应丢弃这个UDP用户数据报（也可以上交给应用层，但附上出现了差错的警告）。

检验和计算过程
这里假定用户数据报的长度是15字节（可以通过IP数据报计算出来），因此要添加一个全0的字节。检验一下在接收端是怎样对检验和进行检验的。不难看出，这种简单的差错检验方法的检错能力并不强，但它的好处是简单，处理起来较快。

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校验和详细计算过程

	1001100100010011
	0000100001101000
  +	----------------
  =	1010000101111011
------------------------
	1010000101111011
	1010101100000011
  +	----------------
  =	0100110001111110
------------------------
	0100110001111110
	0000111000001011
  +	----------------
  =	0101101010001001
------------------------
	0101101010001001
	0000000000010001
  +	----------------
  =	0101101010011010
------------------------
	0101101010011010
	0000000000001111
  +	----------------
  =	0101101010101001
------------------------
	0101101010101001
	0000010000111111
  +	----------------
  =	0101111011101000
------------------------
	0101111011101000
	0000000000001101
  +	----------------
  =	0101111011110101
------------------------
	0101111011110101
	0000000000001111
  +	----------------
  =	0101111100000100
------------------------
	0101111100000100
	0000000000000000
  +	----------------
  =	0101111100000100
------------------------
	0101111100000100
	0101010001000101
  +	----------------
  =	1011001101001001
------------------------
	1011001101001001
	0101001101010100
  +	----------------
  =	0000011010011101
------------------------
	0000011010011101
	0100100101001110
  +	----------------
  =	0100111111101011
------------------------
	0100111111101011
	0100011100000000
  +	----------------
  =	1001011011101011
------------------------

1001011011101011 取反 0110100100010010

注意：上述的取反与二进制取反运算有所不同，仅仅是0->1,1->0

对于接收方，由于校验和字段将0110100100010010取代了原全0的字段，再按照之前的加法，则会得到全1

	1001011011101011
	0110100100010010
  +	----------------
  =	1111111111111111

其中伪首部的第3字段是全零；
第4字段对应IP首部中的协议字段的值。对于UDP，此协议字段值为17；
第5字段是UDP用户数据报的长度。（可以通过IP报文首部计算出来：IP报文长度-IP首部长度，同UDP用户数据报的长度）

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因此，这样的检验和，既检查了UDP用户数据报的源端口号和目的端口号以及UDP用户数据报的数据部分，又检查了IP数据报的源IP地址和目的地址。

实战：Wireshark 分析用户数据报UDP

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