什么是UDP?

UDP是User Datagram Protocol(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)的縮寫(xiě)，它是一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議，簡(jiǎn)單到UDP規(guī)范RFC0768只有區(qū)區(qū)3頁(yè)。

UDP是工作在IP層之上的傳輸層協(xié)議，UDP對(duì)IP主要有兩個(gè)擴(kuò)展：

1. 擴(kuò)展出端口號(hào)使得IP數(shù)據(jù)報(bào)可以多路分發(fā)到用戶進(jìn)程。
2. 擴(kuò)展出校驗(yàn)和提供網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)差錯(cuò)的檢驗(yàn)。

IP提供了一種盡力而為、無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)交付服務(wù)。IP基于IP地址實(shí)現(xiàn)路由和分組轉(zhuǎn)發(fā)，可以將一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)從網(wǎng)絡(luò)的一臺(tái)主機(jī)傳送到另一臺(tái)主機(jī)，IP地址決定IP數(shù)據(jù)報(bào)將被送往哪個(gè)主機(jī)。所以，IP提供主機(jī)到主機(jī)的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù)。

IP數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)目的主機(jī)后，內(nèi)核層實(shí)現(xiàn)的IP模塊，會(huì)負(fù)責(zé)接收網(wǎng)卡上的IP數(shù)據(jù)報(bào)，但主機(jī)上通常會(huì)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，IP數(shù)據(jù)報(bào)應(yīng)該交給哪個(gè)進(jìn)程去處理呢?IP搞不定。

端口號(hào)(位于UDP首部)決定數(shù)據(jù)報(bào)交給主機(jī)上的哪個(gè)進(jìn)程處理。所以，UDP為端主機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序提供了端到端服務(wù)。

[[268923]]

UDP的特征

1. UDP是無(wú)連接的，通信之前無(wú)須建連便可直接發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，而TCP是面向連接的。
2. UDP不提供差錯(cuò)糾正，但UDP提供差錯(cuò)檢測(cè)(端到端校驗(yàn)和)。
3. UDP不做重復(fù)消除。
4. UDP不做流量控制。
5. UDP不做擁塞控制，沒(méi)有協(xié)議機(jī)制防止高速UDP流量對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)用戶的消極影響。
6. UDP不保證順序，數(shù)據(jù)報(bào)遞交應(yīng)用的順序。
7. UDP不可靠，UDP只負(fù)責(zé)把應(yīng)用程序傳給IP層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，并不能保證數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)目的地，可靠傳遞需要應(yīng)用程序去實(shí)現(xiàn)。
8. UDP支持組播交付。
9. UDP是一種保留消息邊界的傳輸層協(xié)議。

消息邊界

應(yīng)用程序每請(qǐng)求一次UDP輸出將產(chǎn)生一個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)，從而發(fā)送一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)，而接收端每請(qǐng)求一次UDP接收都將接收一個(gè)完整的UDP報(bào)(如果有)，這跟面向數(shù)據(jù)流的TCP不一樣。

假設(shè)主機(jī)A給主機(jī)B發(fā)送2次數(shù)據(jù)，***次4字節(jié)“abcd”，第二次3字節(jié)“xyz”，而主機(jī)B接收2次，分別返回“abcd”、“xyz”兩個(gè)消息，也可以返回“xyz”，“abcd”兩個(gè)消息(順序不重要)，那么這就是保留消息邊界。

UDP是保留消息邊界的傳輸層協(xié)議，利用UDP通信的應(yīng)用程序每次發(fā)送操作會(huì)產(chǎn)生一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)(不考慮分片)，這就約束每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量不能大于MTU(***傳輸單元)，接收端每次接收都會(huì)返回一個(gè)個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)的完整負(fù)載，不會(huì)出現(xiàn)返回半個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)負(fù)載的情況。

而TCP是不保留消息邊界的流協(xié)議，發(fā)送端調(diào)用發(fā)送的次數(shù)和每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量，跟接收端調(diào)用接收的次數(shù)和每次接收的數(shù)據(jù)量，沒(méi)有任何對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以使用TCP的應(yīng)用程序需要去處理消息邊界。

UDP數(shù)據(jù)報(bào)封裝格式

IPv4協(xié)議(Protocol)字段用值17來(lái)標(biāo)識(shí)UDP，UDP數(shù)據(jù)報(bào)頭部通常是8字節(jié)，IPv4頭部之后緊接著是UDP頭部，然后是UDP數(shù)據(jù)Payload(如有)。

IPv4 UDP數(shù)據(jù)報(bào)封裝格式

IPv4封裝包對(duì)應(yīng)的UDP頭部由源端口號(hào)、目的端口號(hào)、長(zhǎng)度、校驗(yàn)和組成，每個(gè)字段都是2字節(jié)。

1、端口號(hào)，純抽象的標(biāo)識(shí)，它不跟任何物理實(shí)體相關(guān)。

端口號(hào)用于幫助協(xié)議分辨發(fā)送和接收進(jìn)程。接收端的內(nèi)核層從網(wǎng)卡接收到IP數(shù)據(jù)報(bào)之后，識(shí)別出UDP數(shù)據(jù)報(bào)(IP數(shù)據(jù)報(bào)頭部協(xié)議字段值=17)之后，會(huì)根據(jù)UDP頭部的目的端口號(hào)，映射到對(duì)應(yīng)進(jìn)程，把UDP數(shù)據(jù)報(bào)交給對(duì)應(yīng)的進(jìn)程去處理，這個(gè)映射關(guān)系由系統(tǒng)內(nèi)核管理維護(hù)。

UDP頭部和負(fù)載

目的端口號(hào)是必須的，但源端口號(hào)是可選的，如果數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送者不需要對(duì)方回復(fù)的話，則源端口號(hào)可被設(shè)置為0。

因?yàn)镮P層根據(jù)IP頭部的協(xié)議類型字段，將進(jìn)入的IP數(shù)據(jù)報(bào)，分發(fā)到特定的傳輸協(xié)議(TCP或UDP等)，到了傳輸協(xié)議層，再根據(jù)端口號(hào)將協(xié)議數(shù)據(jù)分發(fā)到不同進(jìn)程。所以，端口號(hào)是協(xié)議獨(dú)立的，不同協(xié)議的相同端口號(hào)并不會(huì)引起分發(fā)混亂。

比如，一臺(tái)機(jī)器上的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)程使用相同的IP地址和端口號(hào)，但一個(gè)使用TCP協(xié)議，另一個(gè)使用UDP協(xié)議，這樣是沒(méi)有問(wèn)題。

2、長(zhǎng)度字段，是以字節(jié)為單位的UDP頭部和UDP數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度，因?yàn)閁DP頭部長(zhǎng)度為8，且空數(shù)據(jù)的UDP數(shù)據(jù)報(bào)是允許的，這意味著該長(zhǎng)度字段值最小為8。UDP長(zhǎng)度值是冗余的，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)IP數(shù)據(jù)報(bào)的總長(zhǎng)度減去IP首部的長(zhǎng)度推導(dǎo)出來(lái)。

3、校驗(yàn)和，覆蓋了UDP首部、UDP數(shù)據(jù)和一個(gè)偽首部，由初始發(fā)送方計(jì)算，由最終目的方校驗(yàn)，用于判斷數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中是否出錯(cuò)，比如某一位從1變成了0。

使用UDP的應(yīng)用程序如何實(shí)現(xiàn)可靠傳輸

眾所周知，UDP不可靠、不保證順序。

1、什么叫不可靠?A給B發(fā)送一個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)，該UDP數(shù)據(jù)報(bào)不一定被正確交付給接收端B，但因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等各種原因，可能丟包，IP數(shù)據(jù)報(bào)是盡力而為的交付，一切隨緣。

有沒(méi)有辦法保證，發(fā)送的UDP一定到達(dá)目的端?Sorry，保證不了，做不到。

那TCP提供的可靠傳輸是什么意思?TCP提供的可靠傳輸并不是指不丟包，因?yàn)門(mén)CP也依賴IP(IP不可靠)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)交付，TCP的可靠性是指丟掉的包會(huì)被重傳，直到被正確投遞，才會(huì)繼續(xù)傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)。

那TCP是怎么做到可靠傳輸?shù)哪?很簡(jiǎn)單，收?qǐng)?bào)確認(rèn)(ack)+丟包重傳。所以UDP如果要提供可靠傳輸，也可以參考TCP的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，只是TCP是實(shí)現(xiàn)在內(nèi)核層，而基于UDP的應(yīng)用程序，可以把可靠傳輸做到應(yīng)用層。要做收?qǐng)?bào)確認(rèn)+丟包重傳，需要一些額外的信息，比如包序列號(hào)之類，可以放到Payload，約定好這些額外信息在Payload中的結(jié)構(gòu)布局即可。

2、什么叫不保證順序?A給B發(fā)送兩個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)，兩個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)會(huì)被封裝為兩個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)，通過(guò)IP協(xié)議傳輸，因?yàn)閮蓚€(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)獨(dú)立路由，所以哪個(gè)先到?不一定，看心情。

有沒(méi)有辦法保證，UDP數(shù)據(jù)報(bào)按照發(fā)送端發(fā)送的時(shí)間順序到達(dá)目的端?也Sorry，辦不到。

所以，TCP提供的順序性，其實(shí)只是在接收端對(duì)IP數(shù)據(jù)報(bào)根據(jù)發(fā)送順序重新排序，很顯然，UDP要支持重排序，也需要一些額外信息，也只能通過(guò)payload攜帶，而不能像TCP一樣(TCP首部的一些字段用于接收端重排序)。

綜上，UDP只提供最簡(jiǎn)單端主機(jī)上應(yīng)用程序的端到端服務(wù)，其他的特性，如果要提供，那請(qǐng)參考TCP的思路去實(shí)現(xiàn)吧。

這是有好處的：因?yàn)楹?jiǎn)單，所以開(kāi)銷很小。而某些應(yīng)用場(chǎng)景，可以容忍丟包、亂序，UDP就是很適合的。保時(shí)捷是很好，但拉磚還是用拖拉機(jī)吧。

UDP Socket編程

UDP Socket網(wǎng)絡(luò)編程的API不多，socket()用于創(chuàng)建套接字，close()用于關(guān)閉套接字，sendto()用于發(fā)送數(shù)據(jù)，recvfrom()用于接收數(shù)據(jù)。

bind()顧名思義是綁定，TCP可以綁定，UDP也可以，bind用于UDP等于告訴內(nèi)核：這個(gè)套接字跟網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端的一個(gè)

而沒(méi)有bind之前，只能通過(guò)sendto()接口(通過(guò)參數(shù)指定目的地)。UDP套接字recv()返回的是UDP數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分(Payload)，不包括UDP數(shù)據(jù)報(bào)首部，這是因?yàn)閁DP首部的字段用于分發(fā)或者校驗(yàn)，不需要透?jìng)鹘o應(yīng)用程序。

使用UDP套接字開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用Server/Client，網(wǎng)絡(luò)IO相關(guān)操作和流程如下圖所示：

UDP套接字編程