TCP/IP-UDP

　　We read the world wrong but say that it deceives us.

　　"咱們看錯了世界，卻說世界欺騙了咱們"

 

參考資料：TCP/IP入門經典 （第五版）

   　　　　 TCP/IP詳解 卷一：協議

 

1、簡介

　　UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議），是一個簡單的面向數據報的傳輸層協議，進程的每一個輸出操做都正好產生一個UDP數據報，並組裝成一份待發送的IP數據報。它在協議棧中的位置以下

 

　　特色：UDP是一個面向數據報的協議，因此它不提供可靠性：它把應用程序傳給IP層的數據發送出去，但並不保證它們能到達目的地

 

2、UDP首部

　　因爲不提供可靠性，因此UDP的首部比較簡單

 

　　各字段含義以下：

　　● 端口號：就是傳輸層識別應用程序的一個正整數

　　● 16位UDP長度：UDP長度指的是UDP首部和UDP數據的總長度。注意，UDP長度的最小值爲8字節，也就是說能夠發送一個沒有數據的UDP數據報。記得在 TCP/IP協議-IP協議 中說到IP首部中有一個首部長度，那麼用IP數據報的總長減去IP首部的長度就能夠獲得UDP數據報的長度了

　　● 16位UDP檢驗和：關於檢驗和，要特別留意幾點。

　　首先，UDP的檢驗和覆蓋了UDP首部和UDP數據，而IP首部的檢驗和只覆蓋了IP首部；其次，UDP的檢驗和是可選的，而TCP的檢驗和是必須的；UDP數據報的長度能夠是奇數字節，因此在計算時要在末尾填充0，可是這些0可能不被傳送；UDP檢驗和的計算方法與IP首部的檢驗和同樣（16個bit的二進制反碼求和）

　　最後，UDP在計算檢驗和的時候包含了一個12字節長的僞首部，它僅僅是爲了計算檢驗和而設置。UDP檢驗和計算過程當中使用的各個字段以下

 

　　若是檢驗和的計算結果爲0，則存入的值全爲1。若是傳送的檢驗和爲0，說明發送端沒有計算檢驗和。這樣，若是接收端計算的檢驗和不爲全0，可是檢驗和字段爲全0的話，說明傳送過程當中出錯了，UDP數據報將會被丟棄，而且不產生任何差錯報文

　　雖然UDP檢驗和是可選的，可是它們應該老是在用，畢竟仍是要確報數據傳輸的正確性

 

3、IP分片和重組

　　爲何要在這裏討論IP分片呢？前面講到UDP是不提供傳輸的可靠性的，可是至少要保證數據能完整的傳輸，因此只能把這個責任留給IP。下面先來了解幾個概念

  最大UDP數據報長度

　　IP數據報的最大長度爲65535個字節，去掉IP首部的20個字節和UDP首部的8個字節，UDP數據報的最大長度理論上應該爲65507字節。但事實上，大多數實現都達不到這個長度，緣由有下：

　　　● 應用程序接口限制：socket API提供了一個可供應用程序調用的函數，用來設置接收和發送緩存的長度，大部分系統都默認提供了可讀寫大於8192字節的UDP數據報。

　　　● 內核實現：可能存在一些實現特性（或差錯），使IP數據報長度小於65535

　　雖然IP能夠發送那麼長的數據報，但應用程序並不保證可以讀取該長度的數據。所以，UDP編程接口容許應用程序設置能處理的最大長度。當數據報長度超出應用程序能處理的最大長度時，不一樣的API有着不一樣的處理策略，這就要求發送端控制數據報的大小

  路徑MTU

　　MTU（最大傳輸單元），指的是數據鏈路層對傳輸的數據幀長度的一個上限值，不一樣的網絡類型有着不一樣的值。而路徑MTU指的是兩臺通訊主機路徑中最小的MTU。兩臺主機之間的路徑MTU不必定是一個常數，由於路由選擇並不必定是對稱的，並且網絡隨時都在發生變化

  ICMP

　　ICMP（Internet控制報文協議），是一個位於網絡層的協議。它常常被認爲是IP層的一個組成部分，由於ICMP的主要功能是傳遞差錯報文及其餘須要注意的信息，而且ICMP報文是封裝在IP數據報內部的

　　常見的幾種差錯報文：

  　　● 端口不可達：若是接收端收到一份UDP數據報而目的端口與某個正在使用的進程不相符，那麼UDP返回一個ICMP不可達報文

  　　● 分片衝突不可達：當路由器收到一份須要分片的數據報，而在IP首部又設置了不分片的標誌位，那麼路由器返回一個ICMP不可達報文。而且，此時能夠把這條路徑的路徑MTU返回給源主機或路由器，這樣就能夠幫助這條路徑上的其餘路由器肯定每一個子路徑上的MTU，這被稱做路徑MTU發現機制

  　　● 源站抑制：當一個系統（路由器或主機）接收數據報的速度比其處理速度快時，它有可能會返回一個源站抑制差錯報文。因爲源站抑制須要消耗帶寬，而且實際上沒有什麼做用，因此人們並不支持產生源站抑制報文

  IP分片

　　前面已經講過，數據鏈路層通常要限制每次發送數據幀的最大長度（MTU）。任什麼時候候IP層接收到一份要發送的IP數據報時，它要判斷向本地哪一個接口發送數據（選路），並查詢接口得到MTU，若是數據報長度大於MTU，那就須要進行分片。分片能夠發生在原始發送端主機上，也能夠發生在中間路由器上。

　　在介紹IP首部字段的時候，談到IP首部的「第二行」有三個字段：16位標識、3位標誌和13位片偏移，它們就是被用在IP分片過程當中。對於發送端發送的每份IP數據報來講，其標識字段都包含一個惟一值，在數據報分片時被複制到每一個片中，代表它們是來自同一個數據報。標誌字段用其中一個bit來表示「更多的片」，把該位置1表示這個還有其餘分片，因此最後一片要把該位置0。片偏移字段指的是該片偏移原始數據報開始處的位置。另外，分片之後，每一個片的總長度值要改成該片的長度值。標誌字段中有一個bit稱做「不分片」位，若是將這個置1，IP將不對數據報進行分片。若是此時致使數據報不能發送，那麼將會返回一個ICMP不可達差錯報文（分片衝突）

　　分片以後，每一片都成爲一個分組，這裏的分組指的是網絡層到數據鏈路層之間的傳輸單元，而IP數據報是指IP層端到端的傳輸單元。每一個分組都有本身的IP首部

　　須要注意是：

  　　● 在分片時，除最後一個片外，其餘每個片中的數據部分（除IP首部外的其他部分）必須是8字節的整數倍（暫時沒搞清楚爲何，我的猜想是爲了方便計算片偏移，還有接收端的重組）

  　　● 任何傳輸層首部只出如今第一片數據中

  　　● 分片可能發生在源主機或者路徑上的路由器，但重組只可能發生在目的主機上。由於路徑上的路由器只負責轉發，並不關心IP數據報的數據內容

  　　● 即便只丟失了一片數據也須要從新傳整個數據報，由於上一點，中間路由器可能再次分片，而目的端並不知道丟失的片是被如何分片的

　　  ● 各個片到達目的端時多是亂序的，可是IP首部利用前面講的三個字段，能夠將分片正確地拼接起來

　　下面來完整描述一個IP數據報的傳輸過程做爲總結，假設待發送的傳輸層數據報須要進行分片，而且發送端和接收端不是直接相連：

　　　①源主機的傳輸層將數據報發送到網絡層；

  分片：②

　　　②IP發現數據報太大，須要分片，就將數據報分片：第一片包含了數據報的開頭部分數據，數據大小爲8字節的整數倍，包含了傳輸層首部，並將標誌字段中表示「更多的片」字段置1，片偏移字段置0，而後把總長度值改成分片之後的片長度值；第二片到倒數第二片包含了某個長度的數據，而且數據大小爲8字節的整數倍，可是它們都沒有包含傳輸層首部，它們的「更多的片」字段置爲1，片偏移字段根據片序號和前一片的數據長度設置，總長度設置同第一片；最後一片包含了剩餘的數據部分，數據長度不必定是8字節的整數倍，沒有包含傳輸層首部，「更多的片」字段被置0，片偏移字段根據前面的數據長度設置，總長度值也根據前面的片進行設置；全部片的標識字段都相同

　　　③網絡層把每個片做爲一個分組傳送給數據鏈路層；

  傳輸：④～⑥

　　　④數據鏈路層將分組轉化爲數據幀發送給下一個系統（路由器或者主機）；

　　　⑤接收到數據幀的路由器向上傳送至網絡層；

　　　⑥IP檢查數據報長度和MTU，若是須要分片，就跳到第②步；若是不須要分片，就跳到第④步，直到發送到目的主機；

  重組：⑦

　　　⑦目的主機陸續收到各個片，若是目的主機發現缺失了某個片，那麼將會返回一個ICMP錯誤報文，源主機將會從新發送數據報，回到第①步；若是沒有片缺失，目的主機將會根據標識字段、標誌字段和片偏移將全部片重組爲傳輸層數據報，傳輸層發送給應用程序，數據傳輸完成

　　關於IP分片重組的實現，能夠參考 Linux TCP/IP協議棧關於IP分片重組的實現

 

4、UDP服務器設計

　　最後來討論一下UDP那些影響使用該協議的服務器的設計和實現方面的協議特性

  客戶IP地址及端口號

　　UDP服務器必須保存來自客戶數據報的源IP地址和源端口號，這個特性容許一個交互UDP服務器對多個客戶進行處理

  目的IP地址

　　某些應用程序須要知道數據報是發送給誰的，即目的IP地址

  UDP輸入隊列

　　大多數UDP服務器是重複型服務器，單個服務器進程對單個UDP端口上的全部客戶請求進行處理。因此必須維護一個輸入隊列來對差很少同時到達的請求進行處理

  限制本地IP地址

　　大多數UDP服務器在建立UDP端點是都使其IP地址具備通配符的特色，這樣能夠從任何的本地接口來接收用戶請求

  限制遠端IP地址

　　限制遠端IP地址和端口號能夠只接收特定地址的UDP數據報

  每一個端口有多個接收者

　　當UDP數據報到達目的IP地址爲廣播或多播地址，並且在目的IP地址和端口號處有多個端點時，就向每一個端點傳送一份數據報的複製。若是UDP數據報到達的是一個單播地址，那麼只向其中一個端點傳送一份數據報的複製

 

總結：UDP是一個簡單的協議，本文大部分篇幅都在介紹IP分片的內容，等到介紹TCP的時候，就能瞭解UDP與TCP之間的區別和聯繫