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深入的理解UDP编程-星辰大海-51CTO博客

2019-07-08 17:40:16           
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深入的理解UDP编程深入的理解UDP编程

什么是UDP?

UDP是User Datagram Protocol(用户数据报协议)的缩写,它是一个简单的协议,简单到UDP规范RFC0768只有区区3页。

UDP是工作在IP层之上的传输层协议,UDP对IP主要有两个扩展:

扩展出端口号使得IP数据报可以多路分发到用户进程。扩展出校验和提供网络传输过程中数据差错的检验。IP提供了一种尽力而为、无连接的数据报交付服务。IP基于IP地址实现路由和分组转发,可以将一个IP数据报从网络的一台主机传送到另一台主机,IP地址决定IP数据报将被送往哪个主机。所以,IP提供主机到主机的数据报传输服务。

IP数据报到达目的主机后,内核层实现的IP模块,会负责接收网卡上的IP数据报,但主机上通常会同时运行多个进程,IP数据报应该交给哪个进程去处理呢?IP搞不定。

端口号(位于UDP首部)决定数据报交给主机上的哪个进程处理。所以,UDP为端主机上运行的应用程序提供了端到端服务。

UDP的特征

UDP是无连接的,通信之前无须建连便可直接发送数据报,而TCP是面向连接的。UDP不提供差错纠正,但UDP提供差错检测(端到端校验和)。UDP不做重复消除。UDP不做流量控制。UDP不做拥塞控制,没有协议机制防止高速UDP流量对其他网络用户的消极影响。UDP不保证顺序,数据报递交应用的顺序。UDP不可靠,UDP只负责把应用程序传给IP层的数据发送出去,并不能保证数据报到达目的地,可靠传递需要应用程序去实现。UDP支持组播交付。UDP是一种保留消息边界的传输层协议。

消息边界

应用程序每请求一次UDP输出将产生一个UDP数据报,从而发送一个IP数据报,而接收端每请求一次UDP接收都将接收一个完整的UDP报(如果有),这跟面向数据流的TCP不一样。

假设主机A给主机B发送2次数据,第一次4字节“abcd”,第二次3字节“xyz”,而主机B接收2次,分别返回“abcd”、“xyz”两个消息,也可以返回“xyz”,“abcd”两个消息(顺序不重要),那么这就是保留消息边界。

UDP是保留消息边界的传输层协议,利用UDP通信的应用程序每次发送操作会产生一个IP数据报(不考虑分片),这就约束每次发送的数据量不能大于MTU(最大传输单元),接收端每次接收都会返回一个个UDP数据报的完整负载,不会出现返回半个数据报负载的情况。

而TCP是不保留消息边界的流协议,发送端调用发送的次数和每次发送的数据量,跟接收端调用接收的次数和每次接收的数据量,没有任何对应关系,所以使用TCP的应用程序需要去处理消息边界。

UDP数据报封装格式

IPv4协议(Protocol)字段用值17来标识UDP,UDP数据报头部通常是8字节,IPv4头部之后紧接着是UDP头部,然后是UDP数据Payload(如有)。深入的理解UDP编程深入的理解UDP编程IPv4封装包对应的UDP头部由源端口号、目的端口号、长度、校验和组成,每个字段都是2字节。1、端口号,纯抽象的标识,它不跟任何物理实体相关端口号用于帮助协议分辨发送和接收进程。接收端的内核层从网卡接收到IP数据报之后,识别出UDP数据报(IP数据报头部协议字段值=17)之后,会根据UDP头部的目的端口号,映射到对应进程,把UDP数据报交给对应的进程去处理,这个映射关系由系统内核管理维护。深入的理解UDP编程深入的理解UDP编程目的端口号是必须的,但源端口号是可选的,如果数据报发送者不需要对方回复的话,则源端口号可被设置为0。

因为IP层根据IP头部的协议类型字段,将进入的IP数据报,分发到特定的传输协议(TCP或UDP等),到了传输协议层,再根据端口号将协议数据分发到不同进程。所以,端口号是协议独立的,不同协议的相同端口号并不会引起分发混乱。

比如,一台机器上的两个网络服务进程使用相同的IP地址和端口号,但一个使用TCP协议,另一个使用UDP协议,这样是没有问题。

2、长度字段,是以字节为单位的UDP头部和UDP数据的总长度,因为UDP头部长度为8,且空数据的UDP数据报是允许的,这意味着该长度字段值最小为8。UDP长度值是冗余的,因为可以通过IP数据报的总长度减去IP首部的长度推导出来。

3、校验和,覆盖了UDP首部、UDP数据和一个伪首部,由初始发送方计算,由最终目的方校验,用于判断数据报在网络传输过程中是否出错,比如某一位从1变成了0。

使用UDP的应用程序如何实现可靠传输

众所周知,UDP不可靠、不保证顺序。

1、什么叫不可靠?A给B发送一个UDP数据报,该UDP数据报不一定被正确交付给接收端B,但因为网络质量等各种原因,可能丢包,IP数据报是尽力而为的交付,一切随缘。

有没有办法保证,发送的UDP一定到达目的端?Sorry,保证不了,做不到。

那TCP提供的可靠传输是什么意思?TCP提供的可靠传输并不是指不丢包,因为TCP也依赖IP(IP不可靠)实现数据报交付,TCP的可靠性是指丢掉的包会被重传,直到被正确投递,才会继续传输下一个数据报。

那TCP是怎么做到可靠传输的呢?很简单,收报确认(ack)+丢包重传。所以UDP如果要提供可靠传输,也可以参考TCP的实现机制,只是TCP是实现在内核层,而基于UDP的应用程序,可以把可靠传输做到应用层。要做收报确认+丢包重传,需要一些额外的信息,比如包序列号之类,可以放到Payload,约定好这些额外信息在Payload中的结构布局即可。

2、什么叫不保证顺序?A给B发送两个UDP数据报,两个UDP数据报会被封装为两个IP数据报,通过IP协议传输,因为两个IP数据报独立路由,所以哪个先到?不一定,看心情。

有没有办法保证,UDP数据报按照发送端发送的时间顺序到达目的端?也Sorry,办不到。

所以,TCP提供的顺序性,其实只是在接收端对IP数据报根据发送顺序重新排序,很显然,UDP要支持重排序,也需要一些额外信息,也只能通过payload携带,而不能像TCP一样(TCP首部的一些字段用于接收端重排序)。

综上,UDP只提供最简单端主机上应用程序的端到端服务,其他的特性,如果要提供,那请参考TCP的思路去实现吧。

这是有好处的:因为简单,所以开销很小。而某些应用场景,可以容忍丢包、乱序,UDP就是很适合的。保时捷是很好,但拉砖还是用拖拉机吧。

UDP Socket网络编程的API不多,socket()用于创建套接字,close()用于关闭套接字,sendto()用于发送数据,recvfrom()用于接收数据。

bind()顾名思义是绑定,TCP可以绑定,UDP也可以,bind用于UDP等于告诉内核:这个套接字跟网络远端的一个

而没有bind之前,只能通过sendto()接口(通过参数指定目的地)。UDP套接字recv()返回的是UDP数据报的数据部分(Payload),不包括UDP数据报首部,这是因为UDP首部的字段用于分发或者校验,不需要透传给应用程序。

使用UDP套接字开发的网络应用Server/Client,网络IO相关操作和流程如下图所示:

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