【网络基础】深入理解UDP协议：从报文格式到应用本质

前言

首先我们知道，什么是Udp协议：

• UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的传输协议，它位于OSI模型的传输层，用于在计算机网络上发送数据。

在之前所写的进程间通信、套接字编程 的代码都是在应用层的，接下来的Udp、Tcp协议在传输层：

Udp协议段格式

下图为UDP的协议段的格式：

1. 几乎所有协议首要解决的两个问题：

a) 如何分离（封装）

如图所示，通过固定长度的报头，将报头和有效载荷分离。

b) 如何进行向上交付

分离后，将报头的 16位（目的）端口号向上交付 给进程，因为进程bind（绑定）了端口号。

1. 为什么在应用层编写代码写端口号时，使用 uint16_t：根据Udp协议，端口号是16位的。
2. UDP是如何正确提取报文的：
   • 同样的，因为Udp协议段是 固定长度的报头 + 16位Udp长度
   • 由上可以知道Udp是能正确的接收报文的，即：Udp是面向数据报 的

2. 理解报文本身

有了之前的Udp协议图，如何具体的理解报文本身，实际上报头本身是一个 结构体，我们可以表示为：

struct udp_htr
{
	uint32_t src_port:16;	
	uint32_t dst_port:16;
	uint32_t udp_len:16;	
	uint32_t udp_check:16;
}

• （基本上所有的报头都是如上的结构体），该结构体实际上也是C语言学习过程中的 位段 。

因此，上层应用层向内核层传输数据的过程，可以具象化为：

而后可以通过(struct udp_hdr*)start->src_port...取得每个内容，实现分离。

3. 对Udp报文字段的解释

UDP（用户数据报协议）报文包含以下字段：

1. 源端口(Source Port) ：16位字段，指定发送端的端口号。

2. 目标端口(Destination Port) ：16位字段，指定接收端的端口号。

3. 长度(Length)：16位字段，指定UDP报文的长度，包括UDP首部和数据。

4. 校验和(Checksum)：16位字段，用于验证UDP报文在传输过程中的完整性。

4. Udp的特点

• 无连接
  • 通信的双方在发送数据之前不需要建立连接，知道对端的ip和端口号可以直接进行传输。
• 不可靠
  • UDP不保证数据包的可靠传输。
  • 没有确认、重传机制，如果由于网络故障导致无法发送给对端，Udp协议层不会给应用层返回错误信息。
• 面向数据报
  • 每个UDP数据包（数据报）都是一个独立的数据单元，不依赖于之前或之后的数据包
  • 不能够灵活的控制读写数据的次数和数量

如何理解 面向数据报：

• 应用层交给UDP多长的报文, UDP原样发送, 既不会拆分, 也不会合并。
• 比如使用Udp传输100个字节：
  • 如果发送端调用一次sendto, 发送100个字节, 那么接收端也必须调用对应的一次recvfrom, 接收100个 字节; 而不能循环调用10次recvfrom, 每次接收10个字节
  • 所以Udp的传输过程类似送信，不需要提前连接，且发送时需要一整段数据发过去，接收也整段接收。

5. IO类接口的本质：sento、recvfrom

在我们使用如sendto、recvfrom、read等函数时，我们可能以为是在网络中进行的数据收发，实际并非如此，本质是：

UDP的缓冲区

因此：

1. UDP没有真正意义上的 发送缓冲区 ，调用sendto会直接交给内核, 由内核将数据传给网络层协议进行后续的传输动作。
2. UDP有 接收缓冲区 但该接收缓冲区不能保证收到的UDP数据报的顺序和发送UDP报的顺序一致; 如果缓冲区满, 再到达的UDP数据就会被丢弃。

6. UDP全双工 vs 半双工

UDP协议下进行通信时有两种模式：

1. UDP全双工：

   • 在UDP全双工通信中，两个通信实体（通常是两台计算机或两个进程）之间可以 UDP有 同时发送和接收数据 。
   • UDP全双工通信的特点是通信双方之间的数据传输是独立的，互不影响。

2. UDP半双工：

   • 在UDP半双工通信中，通信双方只能在同一时间内进行发送或接收操作，不能同时进行。
   • UDP半双工通信的特点是通信双方之间的数据传输是交替进行的，无法同时进行发送和接收。

7. UDP的使用注意事项

1. 我们注意到, UDP协议首部中有一个16位的最大长度. 也就是说一个UDP能传输的数据最大长度是64K(包含UDP首部)。
2. 显然64K在当今的互联网环境下, very small。
3. 如果我们需要传输的数据超过64K, 就需要在应用层手动的分包, 多次发送, 并在接收端手动拼装。

8. 基于UDP的应用层协议

1. DNS（域名解析协议）：DNS使用UDP协议来进行域名解析，将域名映射到IP地址。

2. DHCP（动态主机配置协议）：DHCP用于自动配置网络设备的IP地址、子网掩码、网关等信息，并且可以通过UDP进行通信。

3. TFTP（简单文件传输协议）：TFTP用于在网络上传输文件，它基于UDP进行通信。

4. SNMP（简单网络管理协议）：SNMP用于网络设备之间的管理和监控，它的一些版本使用UDP作为传输协议。

5. NTP（网络时间协议）：NTP用于同步计算机的时间，它可以使用UDP来传输时间信息。

6. VoIP（网络电话）：许多VoIP应用程序使用UDP来传输音频和视频数据，因为UDP的低延迟和实时性对于语音通信非常重要。

7. NFS（Network File System）是一种用于在网络上共享文件系统的协议。