UDP协议详解

Posted 2023-04-05 白杨783

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UDP协议报文结构

端口号

报文长度

校验和

 生成校验和的算法

MD5的特点

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UDP协议报文结构

UDP会把载荷数据(也就是通过 UDP socekt,send方法拿来的数据基础上,再前面拼装(相当于字符串拼接此处是二进制的)上几个字节的报头

UDP报头里包含了一些特定的属性,这些属性携带了一些重要的信息
不同的协议,功能不同,报头中带有的属性信息就不同,对于UDP来说,报头一共8个字节,分成四个部分:源端口号,目的端口号,报文长度,校验和 

端口号

端口号是传输层协议的概念,每个进程(程序)属于自己的端口号,起到的效果就是区分一个主机上具体的应用程序.因此我们要求同一个主机上,一个端口号不能被多个进程绑定

UDP协议中包含源端口号,和目的端口号,他们都是用2个字节,也就是16个bit位来表示的,因此这里的端口号的取值范围是0->65535,注意0->1023这个范围的端口,被称为"知名端口号/具体端口号",这些端口号都已经分配给了一些广泛使用的知名的应用程序了,因此我们自己写的程序绑定的端口号需要从1024开始

报文长度

报文长度也是由2个字节表示的,范围同样是0->65535,换算一下单位,也就是64KB.也就是说一个UDP数据报最多只能传输64KB的数据

如果我们需要传输的数据大于64KB怎么办呢?

1.需要在应用层,通过代码的方式针对应用层数据报进行手动的分包,拆成多个包,通过多个UDP数据报来进行传输(本来send一次,现在要send多次)

2.不用UDP协议,使用TCP协议

校验和

网络传输的本质是光信号/电信号,在传输过程中,可能会受到一些物理因素的影响,在这些干扰因素的影响下,可能会发生"比特翻转",也就是原来要传输二进制1,发生比特翻转,就变成了0,原来要传输二进制0,发生比特翻转,就变成了1,此时我们传输过后得到的数据就变了,数据的含义也就不同了,本来数据报是想开启功能,可能就变成了关闭功能了

这种现象是客观存在的,不可避免的,我们能做的就是在发生比特翻转,数据改变了的时候,能够及时的识别出当前的数据是否出现问题.

此时我们就需要校验和了,校验和的作用就是验证传输的数据是否是正确的

校验和是如何鉴别我们的数据是否出现了问题的呢?

检验和会针对数据内容进行一系列的数学运算,得到一个比较短的结果(比如2字节),如果数据内容一定,得到的校验和结果就一定,如果数据变了,得到的检验和也就变了

 生成校验和的算法

1.CRC 循环冗余校验,把数据每个字节,循环往上累加,如果累加益处了,高位就不要了

2.MD5 有一系列公式,来进行更复杂的运算,最后得到一个定长的结果

MD5的特点

1.定长:无论原始数据有多长,得到的md5的值都是固定长度(4字节版本,也有8字节版本)

2.冲突概率小 原始数据哪怕变动一个地方,一个bit位,算出来的MD5天差地别(MD5让结果更分散了)

3.不可逆,通过原始数据计算出MD5很容易,但是想要通过MD5计算出原始数据非常难(计算量极大,理论上不可以完成)

4.可以用来计算校验和,也可以计算hash值,还可以当作一种加密方式

TCP/IP详解UDP用户数据报协议

       

 UDP是一个简单的面向数据报的运输层协议：进程的每个输出操作都正好产生一个UDP数据报，并组成一份待发送的IP数据报。UDP提供了不可靠性：它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。

【UDP首部】

1. 端口号表示发送进程和接收进程。TCP端口号和UDP端口号是独立的。

2. UDP长度字段指的是UDP首部和UDP数据的字节长度。该字段的最小值为8字节（发送一份0字节的UDP数据报是OK）。这个有冗余的。

3. IP数据报长度指的是数据报全长，= 全长 – IP首部的长度。【UDP检验和】

         UDP检验和覆盖UDP首部和UDP数据，UDP和TCP在首部中都覆盖它们首部和数据的检验和。UDP的检验和是可选的，而TCP的检验和是必需的。

         UDP的检验和计算方法与IP首部检验和略有不同，UDP的数据报长度可以为奇数字节，但是检验和算法是把若干个16个bit字相加，因此解决方法必要时在最后增加填充字节0，这只是为了检验和的计算。另外，UDP和TCP数据报中都包含一个12字节长的伪首部，其中包含IP首部一些字段，其目的是让UDP 2 次检查数据是否已经正确到达目的地。

         UDP检验和是一个端到端的检验和。由发送端计算，然后由接收端验证。其目的是为了发现UDP首部和数据在发送端到接收端之间发生的任何改动。

～～～～～～～～【科普小课堂】～～～～～～～

         TCP发生检验和差错的比例与UDP相比要高得多。很有可能是因为在该系统中的TCP 连接经常是“远程”连接（经过许多路由器和网桥等中间设备），而UDP一般为本地通信。

          不要完全相信数据链路（如以太网、令牌环等）的CRC检验。应该始终打开端到端的检验和功能。而且，如果数据很有价值，也不要完全相信UDP或TCP的检验和，因为这些都只是简单的检验和，不能检测出所有可能发生的错误。

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【IP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（与其他协议不同，其他协议要求在下一站就进行重新组装）。重新组装由目的端的IP层完成，其目的是使分片和重新组装过程对运输层（TCP和UDP）是透明的，除了某些可能的越级操作外。已经分片过的数据报有可能再次进行分片（可能不止一次）。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。

         当IP数据报被分片后，每一片都成为一个分组，具有自己的IP首部，并在选择路由时与其他分组独立。这样，当数据报的这些片到达目的端时有可能会失序，但是在IP首部中有足够的信息让接收端能正确组装这些数据报片。

～～～～～～～【科普小课堂】～～～～～～～

IP分片缺点：即使只丢失一片数据也要重传整个数据报，Why？？？

         因为IP层本身没有超时重传的机制—由更高层来负责超时和重传（TCP有超时和重传机制，但UDP没有。一些UDP应用程序本身也执行超时和重传）。当来自TCP报文段的某一片丢失后，TCP在超时后会重发整个TCP报文段，该报文段对应于一份IP数据包。没有办法只重传数据报中的一个数据报片。事实上，如果对数据报分片的是中间路由器，而不是起始端系统，那么起始端系统就无法再换掉数据报是如何被分片的。就这个原因，经常要避免分片。

【常见术语】

1. IP数据报：指IP层端到端的传输单元（在分片之前和重新组装之后）

2. 分组：指在IP层和链路层之间传送的数据单元。一个分组可以是一个完整的IP数据报，也可以是IP数据报的一个分片。

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【ICMP不可达差错（需要分片）】

         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。如果某个程序需要判断到达目的端路途中最小MTU是多少——称作路径MTU发现机制，报文格式如上图。

 【UDP和ARP之间的交互作用】

【最大UDP数据报长度】

          理论上，IP数据报的最大长度是65535字节，这是由IP首部16比特总长度字段所限制的。去除20个字节的IP首部和8个字节的UDP首部，UDP数据报中用户数据的最长长度为65507字节，大多数都 <  65507。两个限制因素：

         1. 应用程序可能会受到其程序接口的限制。Socket API提供了一个可供应用程序调用的函数，以设置接收和发送缓存的长度。现在大部分系统都默认提供了可读写> 8192字节的UDP数据报。

         2. 来自于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。要求主机必须能够接收最短为576字节的IP数据报。

【ICMP源站抑制差错】

          当一个系统（路由器或主机）接收数据报的速度比其处理速度快时，可能会产生这个差错。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服务器设计】～～～～～～～

         典型的服务器与OS进行交互作用，而且大多数需要同时处理多个客户。通常一个客户启动后直接与单个服务器通信，然后就结束了。而对于服务器来说，它启动后处于休眠状态，等待客户请求的到来。对于UDP来说，当客户数据报到达时，服务器wakeup，数据报中可能包含来自客户的某种形式的请求信息。

【UDP输入队列】

        单个服务器进程对单个UDP端口上（服务器上的知名端口）的所有客户请求进行处理。通常程序所使用的每个UDP端口都与一个有限大小的输入队列相联系。其缺点：

 1. 应用程序并不知道其输入队列何时溢出。只是由UDP对超出数据报进行丢弃处理。

2. 没有发回任何信息告诉客户其数据报被丢弃。

3. UDP输出队列是FIFO（先进先出）的。

【每个端口有多个接收者】