《TCP/IP具体解释卷2：实现》笔记--UDP：用户数据报协议

用户数据报协议。即UDP，是一个面向数据报的简单运输层协议：进程的每次输出操作仅仅产生一个UDP数据报，从而发送

一个IP数据报。

进程通过创建一个Internet域内的SOCK_DGRAM类型的插口，来訪问UDP。

该类型插口默认地称为无连接的。每次进程发送

数据时，必须指定目的IP地址和port号。

每次从插口上接收数据报时。进程能够从数据报中收到源IP地址和port号。

UDP插口也能够被连接到一个特殊的IP地址和port，这样，全部写到该插口的数据报都被发往该目的地，并且仅仅有来自该IP

地址和port号的数据才被传给该进程。

1.UDP的protosw结构

下图显示了UDP的协议交换入口

2.UDP的首部

UDP首部定义成一个udphdr结构，下图是UDP首部的数据结构和图。

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在代码中，通常把udp首部作为一个紧跟着UDP首部的IP首部来引用。这就是udp_input怎样处理收到的ip数据报，以及

udp_output怎样构造外出的ip数据报，这样的联合的ip/udp首部是一个udpiphdr结构，例如以下图所看到的：

20个字节的ip首部定义成一个ipovly结构。例如以下图所看到的。不幸的是，这个结构并非一个真正的ip首部。大小尽管同样，可是

字段不同。

3.udp_init函数

domaininit函数在系统初始化时调用udp的初始化函数（udp_init），这个函数所做的唯一的工作是把头部PCB的向前和向

后指针指向它自己。这是一个双向链表。

udb PCB的其它部分都被初始化为0，虽然在这个头部PCB中唯一使用的字段是inp_lport。它是要分配的下一个UDP暂时

port号。

4.udp_output函数

当应用程序调用一下五个写函数中的随意一个时，发生UDP输出。这五个函数是：send，sendto或sendmsg、write或

writev。

假设插口已经连接上，则可随意调用调用这五个函数，虽然用sendto或sendmsg不能指定目的地址。假设插口

还没有连接上，则仅仅能调用sendto和sendmsg。而且必须指定一个目的地址。下图总结了这五个函数。它们在终止时，

都调用udp_output，该函数再调用ip_output。

五个函数终止调用sosend，并把一个指向msghdr结构的指针作为參数传给该函数。要输出的数据被分装在一个mbuf链

上。sosend把一个可选的目标地址和可选的控制信息放在mbuf中。并公布PRU_SEND请求。

udp_output函数的处理流程例如以下：

1.丢掉可选控制信息。udp输出不适用不论什么控制信息。

2.暂时连接一个未连接上的接口。假设调用方为UDP数据报指定了目的地址。则插口是由in_pcbconnect暂时连接到该地址

的。并在该函数的最后被断连。

3.在前面加上ip/udp首部。M_PREPEND在数据的前面为IP和UDP首部分配空间。

4.1.UDP检验和计算和伪首部

在讨论udp_output的后一部分之前，我们描写叙述一下udp怎样填充ip/udp首部的某些字段。怎样计算udp检验和，怎样传递

ip/udp首部及数据给ip输出的，这些工作非常巧妙地使用了ipovly结构。

下图显示了udp_output在由m指向的mbuf链的第一个存储器上构造的28字节ip/udp首部。

没有阴影的字段是udp_output

填充的，有阴影的字段是由ip_output填充的。

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在计算UDP检验和使用下面三个事实：1.在伪首部中（例如以下图）的第三个32bit字看起来与ip首部中的第三个32bit字类似：

2个8bit值和一个16bit值。2.伪首部中的三个32bit值的顺序是无关的。

其实。internet检验和的计算不依赖于所使用的

16bit值的顺序。

3.在检验和计算中另外再加上一个全0的32bit字没有不论什么影响。

udp_output利用这三个事实。填充udpiphdr结构的字段，例如以下图所看到的。

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在20字节的ip首部中。最后三个32bit字被用作检验和计算的为首部，ip首部的前两个32bit字也用作检验和计算中。但他们

被初始化为0，不影响最后的检验和。

下图总结了我们描写叙述的操作：

1.上图中最上面的图是为首部的协议定义。

2.中间的图是源码中使用的udpiphdr结构，被用于计算udp检验和。

3.以下的图是出如今线路上的ip/udp首部。上面有箭头的7个字段是udp_output在检验和之前填充的，上面有星号的3个字段

是udp_output在检验和计算之后填充的，其它6个有阴影的字段是ip_output填充的。

以下是udp_output函数的后半部分。

1.为检验和计算准备伪首部。

2.计算检验和

3.填充UDP长度、TTL和TOS。

4.发送数据报。调用ip_output发送数据报。

5.断连暂时连接的插口。

5.udp_input函数

当ip在它的协议字段指定为UDP的输入队列上收到一个IP数据报时，才发生UDP的输入。

IP通过协议交换表中的pr_input

函数调用udp_input。

由于ip的输入是在软件中断级，所以udp_input也在这一级上运行。udp_input的目标是把udp数据报

放置在合适的插口缓存内，唤醒该插口上因输入堵塞的全部进程。

对udp_input函数的讨论分为三个部分：

1.udp对收到的数据报完毕一般性的确认。

2.处理目的地是单播地址的udp数据报：找到合适的pcb，把数据报放到插口的缓存内。

3.处理目的地是广播或多播地址的udp数据报：必须把数据报提交给多个插口。

5.1.对收到的udp数据报的一般确认

1.丢弃IP选项。

2.验证UDP长度。

与UDP数据报相关的两个长度是：IP首部的长度字段（ip_len）和UDP首部的长度字段(uh_ulen)。

比較这两个长度，可能有三种可能性：

1）ip_len等于uh_ulen。这是通常情况。

2）ip_len大于uh_ulen。

ip首部太大。例如以下图所看到的。代码相信两个长度中小的那个，并从数据报的最后移走多余的数据字节，

从mbuf链的最后截断数据。

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3）ip_len小于uh_ulen。

当udp首部的长度给定时，ip数据报比可能的小。例如以下图所看到的。

这说明数据报有错误，必须丢弃。

没有其它的选择。

3.保存ip首部的备份，验证udp的检验和。

5.2.分用单播数据报

假定数据报的目的地址是一个单播地址。

1.检查“向后一个”快速缓存。udp维护一个指针。该指针指向最后在其上接收数据报的internet pcb。在查看pcb之前，可能必须

搜索udp表上的pcb，把近期一次接收pcb的外部和本地地址以及port号和收到的数据报进行比較。这称为“向后一个”快速缓存。

它是依据这样一个如果。即收到的数据报极有可能要发往上一个数据报发往的同一port。

2.搜索全部的UDP的PCB。

3.生成ICMPport不可达差错。假设没有找到匹配的PCB，UDP通常产生一个ICMPport不可达差错。

4.返回源站IP地址和源站port。

5.处理IP_RECVDSTADDR插口选项。

该选项把收到的UDP数据报中的目的IP地址作为控制信息返回。

6.把数据加到插口的接收队列中。

5.3.分用多播和广播数据报

这些数据报被提交给匹配的全部插口。而不不过一个插口。

6.udp_saveopt函数

假设进程指定了IP_RECVDSTADDR插口选项，则udp_input调用udp_saveopt，从收到的数据报中接收目的IP地址。

7.udp_ctlinput函数

当icmp_input收到一个ICMP差错（目的主机不可达、參数问题、重定向、源站抑制和超时）时，调用对应协议的pr_ctlinput

函数。对于UDP，调用udp_cltinput。我们来看下对收到的ICMP所做的处理：

1.icmp_input把icmp类型和码转换成PRC_xxxx差错码。

2.把PRC_xxxx差错码传给协议的控制输入函数。

3.internet pcb协议（TCP和UDP）把PRC_xxx差错码映射到一个unix的errno值，这个值被返回给进程。

8.udp_usrreq函数

很多操作都要调用协议的用户请求函数，在某个UDP插口上调用五个写函数中的随意一个。都以请求PRU_SEND调用UDP

的用户请求函数结束。以下讨论该函数中各个请求。

1.PRU_ATTACH请求，来自socket系统调用，分配一个新的pcb，把它加到udp pcb表的前面，把插口结构和pcb连接在一起。

2.close系统调用公布PRU_DETACH请求。从udp表中移走pcb。并释放该pcb。

3.PRU_BIND请求完毕绑定操作。

4.假设有PRU_LISTEN请求，则是无效的。仅仅有面向连接的协议才使用它。

5.在一个udp应用程序中。客户或server，能够调用connect，它发送CONNECT请求改动插口发送或接收的外部ip地址和port号。

6.socketpair系统调用公布PRU_CONNECT2请求。

8.对于UDP插口，有两种情况会产生PRU_DISCONNECT请求：

a.当关闭了一个连接上的UDP插口时。在PRU_DETACH之前调用PRU_DISCONNECT。

10.调用无法写函数，公布PRU_SEND请求。终于调用udp_output发送该数据报。

12.PRU_SOCKADDR和PRU_PEERADDR请求分配来自系统调用getsockname和getpeername。

9.udp_sysctl函数

udp的sysctl函数仅仅支持一个选项，udp检验和标志位。

系统管理员能够禁止用sysctl程序使能或精巧udp检验和。