理解 UDP

更好閱讀體驗：《理解 TCP 和 UDP》— By Gitbook

UDP 和 TCP 的不一樣

TCP 在傳送數據以前必須先創建鏈接，數據傳送結束後要釋放鏈接。
TCP 不提供廣播或多播服務，因爲 TCP 要提供可靠的、面向鏈接的運輸服務，所以不可避免地增長了許多的開銷，如確認、流量控制、計時器以及鏈接管理等。

而 UDP 在傳送數據以前不須要先創建鏈接。接收方收到 UDP 報文以後，不須要給出任何確認。
雖然 UDP 不提供可靠交付，但在某些狀況下 UDP 倒是一種最有效的工做方式。

簡單來講就是：

UDP：單個數據報，不用創建鏈接，簡單，不可靠，會丟包，會亂序；

TCP：流式，須要創建鏈接，複雜，可靠 ，有序。

UDP 概述

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

UDP 的主要特色是：

1. 無鏈接的，即發送數據以前不須要創建鏈接，所以減小了開銷和發送數據以前的時延。
2. 不保證可靠交付，所以主機不須要爲此複雜的鏈接狀態表
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，在添加首部後向下交給 IP 層。
4. 沒有阻塞控制，所以網絡出現的擁塞不會使發送方的發送速率下降。
5. 支持一對1、一對多、多對一和多對多的交互通訊，也便是提供廣播和多播的功能。
6. 首部開銷小，首部只有 8 個字節，分爲四部分。

UDP 的經常使用場景：

1. 名字轉換（DNS）
2. 文件傳送（TFTP）
3. 路由選擇協議（RIP）
4. IP 地址配置（BOOTP，DHTP）
5. 網絡管理（SNMP）
6. 遠程文件服務（NFS）
7. IP 電話
8. 流式多媒體通訊

UDP 報文結構

UDP 數據報分爲數據字段和首部字段。
首部字段只有 8 個字節，由四個字段組成，每一個字段的長度是 2 個字節。

UDP 數據報結構.png

首部各字段意義：

1. 源端口：源端口號，在須要對方回信時選用，不須要時可全 0.
2. 目的端口：目的端口號，在終點交付報文時必需要使用到。
3. 長度：UDP 用戶數據報的長度，在只有首部的狀況，其最小值是 8 。
4. 檢驗和：檢測 UDP 用戶數據報在傳輸中是否有錯，有錯就丟棄。

UDP 如何進行校驗和

僞首部

UDP 數據報首部中檢驗和的計算方法比較特殊。
在計算檢驗和時，要在數據報以前增長 12 個字節的僞首部，用來計算校驗和。
僞首部並非數據報真正的首部，是爲了計算校驗和而臨時添加在數據報前面的，在真正傳輸的時候並不會把僞首部一併發送。

UDP 數據報結構-僞首部.png

僞首部個字段意義：

1. 第一字段，源 IP 地址
2. 第二字段，目的 IP 地址
3. 第三字段，字段全 0
4. 第四字段，IP 首部中的協議字段的值，對於 UDP，此字段值爲 17
5. 第五字段，UDP 用戶數據報的長度

校驗和計算方法

校驗和的計算中，頻繁用到了二進制的反碼求和運算，運算規則見下：

二進制反碼求和運算

0 + 0 = 0
1 + 0 = 0 + 1 = 1
1 + 1 = 10複製代碼

其中 10 中的 1 加到了下一列去，若是是最高列的 1 + 1 ，那麼獲得的 10 留下 0 , 1 移到最低列，與最低位再作一次二進制加法便可。

檢驗和計算過程

1. 把首部的檢驗和字段設置爲全 0
2. 把僞首部以及數據段當作是許多 16 位的字串接起來。
3. 若數據段不是偶數個字節，則填充一個全 0 字節，可是這個字節不發送。
4. 經過二進制反碼運算，計算出 16 位字的和。
   1. 讓第一行和第二行作二進制反碼運算。
   2. 將第一行和第二行的結果與第三行作二進制反碼計算，以此類推。
5. 最後運算結果取反，獲得校驗和。
6. 把計算出來的校驗和值，填入首部校驗和字段。

接收方收到數據報以後，按照一樣的方法計算校驗和，若是有差錯，則丟棄這個數據報。

能夠看出校驗和，既檢查了 UDP 用戶數據報的源端口號和目的端口號以及數據報的數據部分，又檢查了 IP 數據報的源 IP 地址和目的地址。

一個校驗和例子
假設一個 UDP 數據報：

UDP 校驗和.png

各字段以二進制表示：

1001 1001 0001 0011 //僞首部源IP地址前16位，值：153.19
0000 1000 0110 1000 //僞首部源IP地址後16位，值：8.104
1010 1011 0000 0011 //僞首部目的IP地址前16位，值：171.3
0000 1110 0000 1011 //僞首部目的IP地址後16位，值：14.11
0000 0000 0001 0001 //僞首部UDP協議字段表明號，值：17
0000 0000 0000 1111 //僞首部UDP長度字段，值：15
0000 0100 0011 1111 //UDP頭部源IP地址對應的進程端口號，值：1087
0000 0000 0000 1101 //UDP頭部目的IP地址對應的進程端口號，值：13
0000 0000 0000 1111 //UDP頭部UDP長度字段，值：15
0000 0000 0000 0000 //UDP頭部UDP檢驗和，值：0
0101 0100 0100 0101 //數據字段
0101 0011 0101 0100 //數據字段
0100 1001 0100 1110 //數據字段
0100 0111 0000 0000 //數據字段+填充0字段複製代碼

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

參考

二進制反碼求和運算
《後臺開發 核心技術與應用實踐》
《計算機網絡》