Oct 30, 2020

UDP协议的特点与原理

用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）是当今互联网传输层的两个主要协议之一，与另一个协议（传输控制协议，TCP）互为补充。其地位十分重要，值得在此介绍。

[RFC0768]是UDP协议的正式规范，它至今仍然是一个标准，30多年来没有做过重大的修改。

对于RFC，感兴趣的大家可以上网查一下，它的全称是“Request For Comments”，即“请求评论”。包含了几乎所有重要的Internet文字资料。一个RFC出版后永远不会被修改或取消，而只有可能被新的RFC取代。这里说UDP“至今仍然是一个标准”，也就是说它从出现至今从未被更新过，可见其设计的简洁与高明。

撰写本文主要想通过介绍UDP协议的特点与原理，看透UDP协议设计背后的思想，深度理解通信、端口和连接等概念。

UDP协议的特点

所谓特点，即与其他协议的不同之处。如前所述，能与UDP比较的协议非TCP莫属，故下文会反复提到TCP协议，如果你没听说过TCP，问题也不大，我会尽量详细介绍其中各个概念。

总而言之，UDP有如下几个特点：

无连接
不可靠
- 不提供差错纠正、队列管理、重复消除、流量控制和拥塞控制
保留消息边界
开销小、效率高

那么相对应的，TCP的特点如下：

有连接
可靠
不保留消息边界
开销比UDP大

那么一目了然，UDP的特点反过来就是TCP的特点，反之亦然。那么到底什么是无连接？什么不可靠？什么是消息边界呢？别急，我马上就讲~

什么叫无连接？

graph LR
	subgraph Sender
	Sender_IP[192.168.1.101]
	end
	subgraph Receiver
	Receiver_IP[192.168.1.102]
	end
	Sender_IP --> Receiver_IP

我们知道，UDP是一个传输层的协议，它工作在网络层之上，具体来说，工作在IP协议之上。位于网络层的IP协议为我们实现了将数据从网络上一个IP主机发送到另一个主机的功能。而一台主机上可能有多个程序需要同时和其他主机上的程序通信，这个问题则直接砸到了传输层协议的脑袋上。

由于当今互联网几乎全部使用的都是TCP/IP协议，所以当我提到”网络层协议“时，毫无疑问指的就是IP协议或它的升级版ICMP协议；当我提到”传输层协议“时，想介绍的则是UDP协议和TCP协议共通之处。

传输层协议引入一个“端口”的概念用于解决上述问题，每个传输层数据包都会指定要发往哪个“端口”，而对应的应用程序只需预先绑定这个端口，就能正确收到发给它的数据。

graph LR
	subgraph Sender
	Sender_Port1[Port: 10086]
	Sender_Port2[Port: 10087]
	Sender_IP[192.168.1.101]
	end
	subgraph Receiver
	Receiver_Port1[Port: 10000]
	Receiver_Port2[Port: 10001]
	Receiver_IP[192.168.1.102]
	end
	Sender_Port1 --> Receiver_Port1
	Sender_Port2 --> Receiver_Port2

端口一般是一个16位正整数，所以范围一般是0到65535。

不可靠

UDP协议不提供重复消除

说UDP协议不可靠，是因为当你使用它发送数据时，并不能保证你的数据真的能被送到目标机器的目的端口，而是有可能发生丢失或重复。是的，不仅有可能丢失，还有可能重复（即被收到多次）。

反过来也可以说，TCP协议保证你发送的数据会被并且仅仅会被接收到一次。

UDP协议不提供队列管理

何为队列管理？这里的队列管理指的是是否保证消息的顺序。

假设你打算用发送5个数据包，他们大小不一，我们依发送次序给它们编号：

0	1	2	3	4
事证实明	文字的	序顺	并不响影	读阅

如果你用UDP协议发送它们，那么接收方接收时的情形会是如何呢？最好的情况下当然是按照原样收到，但也完全可能出现如下情况：

2	1	0	4	3
序顺	文字的	事证实明	读阅	并不响影

可以看到各个数据包之间的顺序被打乱了，但是单个数据包并没有发生改变。什么是单个数据包没有发生改变？请听下节分解……

保留消息边界

前面说到，UDP的特点是虽然不能保证数据们按照它们被发送的顺序被依次收到，但是可以保证消息的边界不发生改变。为了说明什么是消息边界发生改变，接下来给出一个TCP的例子：

0	1	2	3
事证实	明文	字的序顺并不	响影读阅

可以观察到在TCP中，顺序得到了保证，但是数据包的边界发生了改变。事实上，当你在接收TCP数据时，消息边界完全可以由你自己决定：先读三个字，读到的就是“事证实”，再读四个字，读到的就是“明文字的”。

老师上课举的一个例子非常形象，传输数据就像是运输石油，UDP就相当于用油罐车运输，TCP则相当于管道运输。如果你用五辆油罐车运输五车石油，最先到的油罐车不一定就是最先出发的那辆，但是每辆车内的石油之间是严格分界的；如果用管道运输这五份石油，最先进入管道的石油必定最先从出口出来，但是每份石油之间的边界并不存在。

UDP协议原理

数据包格式


 0      7 8     15 16    23 24    31  
+--------+--------+--------+--------+ 
|     Source      |   Destination   | 
|      Port       |      Port       | 
+--------+--------+--------+--------+ 
|                 |                 | 
|     Length      |    Checksum     | 
+--------+--------+--------+--------+ 
|                                     
|          data octets ...            
+---------------- ...                 

     User Datagram Header Format


 0      7 8     15 16    23 24    31 
+--------+--------+--------+--------+
|          source address           |
+--------+--------+--------+--------+
|        destination address        |
+--------+--------+--------+--------+
|  zero  |protocol|   UDP length    |
+--------+--------+--------+--------+

            Pseudo Header

我能发送无限长的数据吗？

~~不能，懒得算最大报文长度了，读者自己算下吧。~~

什么是端口号？

此处想解释tcp的端口跟udp端口的关系，它们会冲突吗？如果udp把端口号定义为32字节，tcp会受到影响吗？

重新理解“连接”

这里想解释连接的概念，udp协议定义的源端口号和目的端口号能否看成一个最原始的连接呢？

总结

咕？