TCP/IP-UDP

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

　　"我们看错了世界，却说世界欺骗了我们"

参考资料：TCP/IP入门经典 （第五版）

　　　　 TCP/IP详解 卷一：协议

一、简介

　　UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议），是一个简单的面向数据报的传输层协议，进程的每个输出操作都正好产生一个UDP数据报，并组装成一份待发送的IP数据报。它在协议栈中的位置如下

　　特点：UDP是一个面向数据报的协议，所以它不提供可靠性：它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但并不保证它们能到达目的地

二、UDP首部

　　由于不提供可靠性，所以UDP的首部比较简单

　　各字段含义如下：

　　● 端口号：就是传输层识别应用程序的一个正整数

　　● 16位UDP长度：UDP长度指的是UDP首部和UDP数据的总长度。注意，UDP长度的最小值为8字节，也就是说可以发送一个没有数据的UDP数据报。记得在 TCP/IP协议-IP协议 中说到IP首部中有一个首部长度，那么用IP数据报的总长减去IP首部的长度就可以得到UDP数据报的长度了

　　● 16位UDP检验和：关于检验和，要特别留意几点。

　　首先，UDP的检验和覆盖了UDP首部和UDP数据，而IP首部的检验和只覆盖了IP首部；其次，UDP的检验和是可选的，而TCP的检验和是必须的；UDP数据报的长度可以是奇数字节，所以在计算时要在末尾填充0，但是这些0可能不被传送；UDP检验和的计算方法与IP首部的检验和一样（16个bit的二进制反码求和）

　　最后，UDP在计算检验和的时候包含了一个12字节长的伪首部，它仅仅是为了计算检验和而设置。UDP检验和计算过程中使用的各个字段如下

　　如果检验和的计算结果为0，则存入的值全为1。如果传送的检验和为0，说明发送端没有计算检验和。这样，如果接收端计算的检验和不为全0，但是检验和字段为全0的话，说明传送过程中出错了，UDP数据报将会被丢弃，并且不产生任何差错报文

　　虽然UDP检验和是可选的，但是它们应该总是在用，毕竟还是要确报数据传输的正确性

三、IP分片和重组

　　为什么要在这里讨论IP分片呢？前面讲到UDP是不提供传输的可靠性的，但是至少要保证数据能完整的传输，所以只能把这个责任留给IP。下面先来了解几个概念

最大UDP数据报长度

　　IP数据报的最大长度为65535个字节，去掉IP首部的20个字节和UDP首部的8个字节，UDP数据报的最大长度理论上应该为65507字节。但事实上，大多数实现都达不到这个长度，原因有下：

　　　● 应用程序接口限制：socket API提供了一个可供应用程序调用的函数，用来设置接收和发送缓存的长度，大部分系统都默认提供了可读写大于8192字节的UDP数据报。

　　　● 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

　　虽然IP可以发送那么长的数据报，但应用程序并不保证能够读取该长度的数据。因此，UDP编程接口允许应用程序设置能处理的最大长度。当数据报长度超出应用程序能处理的最大长度时，不同的API有着不同的处理策略，这就要求发送端控制数据报的大小

路径MTU

　　MTU（最大传输单元），指的是数据链路层对传输的数据帧长度的一个上限值，不同的网络类型有着不同的值。而路径MTU指的是两台通信主机路径中最小的MTU。两台主机之间的路径MTU不一定是一个常数，因为路由选择并不一定是对称的，而且网络随时都在发生变化

  ICMP

　　ICMP（Internet控制报文协议），是一个位于网络层的协议。它经常被认为是IP层的一个组成部分，因为ICMP的主要功能是传递差错报文及其他需要注意的信息，并且ICMP报文是封装在IP数据报内部的

　　常见的几种差错报文：

　　● 端口不可达：如果接收端收到一份UDP数据报而目的端口与某个正在使用的进程不相符，那么UDP返回一个ICMP不可达报文

　　● 分片冲突不可达：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的标志位，那么路由器返回一个ICMP不可达报文。并且，此时可以把这条路径的路径MTU返回给源主机或路由器，这样就可以帮助这条路径上的其他路由器确定每个子路径上的MTU，这被称作路径MTU发现机制

　　● 源站抑制：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，它有可能会返回一个源站抑制差错报文。由于源站抑制需要消耗带宽，并且实际上没有什么作用，所以人们并不支持产生源站抑制报文

  IP分片

　　前面已经讲过，数据链路层一般要限制每次发送数据帧的最大长度（MTU）。任何时候IP层接收到一份要发送的IP数据报时，它要判断向本地哪个接口发送数据（选路），并查询接口获得MTU，如果数据报长度大于MTU，那就需要进行分片。分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。

　　在介绍IP首部字段的时候，谈到IP首部的“第二行”有三个字段：16位标识、3位标志和13位片偏移，它们就是被用在IP分片过程中。对于发送端发送的每份IP数据报来说，其标识字段都包含一个唯一值，在数据报分片时被复制到每个片中，表明它们是来自同一个数据报。标志字段用其中一个bit来表示“更多的片”，把该位置1表示这个还有其他分片，所以最后一片要把该位置0。片偏移字段指的是该片偏移原始数据报开始处的位置。另外，分片以后，每个片的总长度值要改为该片的长度值。标志字段中有一个bit称作“不分片”位，如果将这个置1，IP将不对数据报进行分片。如果此时导致数据报不能发送，那么将会返回一个ICMP不可达差错报文（分片冲突）

　　分片之后，每一片都成为一个分组，这里的分组指的是网络层到数据链路层之间的传输单元，而IP数据报是指IP层端到端的传输单元。每个分组都有自己的IP首部

　　需要注意是：

　　● 在分片时，除最后一个片外，其他每一个片中的数据部分（除IP首部外的其余部分）必须是8字节的整数倍（暂时没搞清楚为什么，个人猜测是为了方便计算片偏移，还有接收端的重组）

　　● 任何传输层首部只出现在第一片数据中

　　● 分片可能发生在源主机或者路径上的路由器，但重组只可能发生在目的主机上。因为路径上的路由器只负责转发，并不关心IP数据报的数据内容

　　● 即使只丢失了一片数据也需要重新传整个数据报，因为上一点，中间路由器可能再次分片，而目的端并不知道丢失的片是被如何分片的

　　  ● 各个片到达目的端时可能是乱序的，但是IP首部利用前面讲的三个字段，可以将分片正确地拼接起来

　　下面来完整描述一个IP数据报的传输过程作为总结，假设待发送的传输层数据报需要进行分片，并且发送端和接收端不是直接相连：

　　　①源主机的传输层将数据报发送到网络层；

  分片：②

　　　②IP发现数据报太大，需要分片，就将数据报分片：第一片包含了数据报的开头部分数据，数据大小为8字节的整数倍，包含了传输层首部，并将标志字段中表示“更多的片”字段置1，片偏移字段置0，然后把总长度值改为分片以后的片长度值；第二片到倒数第二片包含了某个长度的数据，并且数据大小为8字节的整数倍，但是它们都没有包含传输层首部，它们的“更多的片”字段置为1，片偏移字段根据片序号和前一片的数据长度设置，总长度设置同第一片；最后一片包含了剩余的数据部分，数据长度不一定是8字节的整数倍，没有包含传输层首部，“更多的片”字段被置0，片偏移字段根据前面的数据长度设置，总长度值也根据前面的片进行设置；所有片的标识字段都相同

　　　③网络层把每一个片作为一个分组传送给数据链路层；

  传输：④～⑥

　　　④数据链路层将分组转化为数据帧发送给下一个系统（路由器或者主机）；

　　　⑤接收到数据帧的路由器向上传送至网络层；

　　　⑥IP检查数据报长度和MTU，如果需要分片，就跳到第②步；如果不需要分片，就跳到第④步，直到发送到目的主机；

  重组：⑦

　　　⑦目的主机陆续收到各个片，如果目的主机发现缺失了某个片，那么将会返回一个ICMP错误报文，源主机将会重新发送数据报，回到第①步；如果没有片缺失，目的主机将会根据标识字段、标志字段和片偏移将所有片重组为传输层数据报，传输层发送给应用程序，数据传输完成

　　关于IP分片重组的实现，可以参考 Linux TCP/IP协议栈关于IP分片重组的实现

四、UDP服务器设计

　　最后来讨论一下UDP那些影响使用该协议的服务器的设计和实现方面的协议特性

  客户IP地址及端口号

　　UDP服务器必须保存来自客户数据报的源IP地址和源端口号，这个特性允许一个交互UDP服务器对多个客户进行处理

  目的IP地址

　　某些应用程序需要知道数据报是发送给谁的，即目的IP地址

  UDP输入队列

　　大多数UDP服务器是重复型服务器，单个服务器进程对单个UDP端口上的所有客户请求进行处理。所以必须维护一个输入队列来对差不多同时到达的请求进行处理

  限制本地IP地址

　　大多数UDP服务器在创建UDP端点是都使其IP地址具有通配符的特点，这样可以从任何的本地接口来接收用户请求

  限制远端IP地址

　　限制远端IP地址和端口号可以只接收特定地址的UDP数据报

  每个端口有多个接收者

　　当UDP数据报到达目的IP地址为广播或多播地址，而且在目的IP地址和端口号处有多个端点时，就向每个端点传送一份数据报的复制。如果UDP数据报到达的是一个单播地址，那么只向其中一个端点传送一份数据报的复制

总结：UDP是一个简单的协议，本文大部分篇幅都在介绍IP分片的内容，等到介绍TCP的时候，就能了解UDP与TCP之间的区别和联系