UDP详解

1. UDP

1.1 UDP简介

        UDP的全称是User Data Protocol（用户数据报协议），其主要特点如下：

• UDP是一个非连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接， 当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。
  • 在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、 计算机的能力和传输带宽的限制；
  • 在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
•  由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等， 因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。
• UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。
• 吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、 源端和终端主机性能的限制。
• UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付， 因此主机不需要维持复杂的链接状态表（这里面有许多参数）。
• UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文， 在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界， 因此，应用程序需要选择合适的报文大小。

1.3 UDP的首部格式

• 源端口号（16位）。在需要对方回信时选用，不需要时可用全0。
• 目的端口号（16位）。这在终点交付时必须使用。
• UDP长度字段（16位）。指的是 UDP首部和UDP数据的字节长度。该字段的最小值为 8字节（发送一份0字节的 UDP数据报是 OK）。这个 UDP长度是有冗余的。
• UDP检验和（16位）。覆盖UDP首部和UDP数据。IP首部的检验和只覆盖 IP的首部，并不覆盖IP数据报中的数据。
  • UDP和TCP在首部中都有覆盖它们首部和数据的检验和。 UDP的检验和是可选的，而 TCP的检验和是必需的。

1.3 PING包

        我们经常使用“ping”命令来测试两台主机之间TCP/IP通信是否正常， 其实“ping”命令的原理就是向对方主机发送UDP数据包，然后对方主机确认收到数据包， 如果数据包是否到达的消息及时反馈回来，那么网络就是通的。

        ping命令是用来探测主机到主机之间是否可通信，如果不能ping到某台主机，表明不能和这台主机建立连接。ping命令是使用 IP 和网络控制信息协议 (ICMP)，因而没有涉及到任何传输协议(UDP/TCP) 和应用程序。它发送icmp回送请求消息给目的主机。

        ICMP协议规定：目的主机必须返回ICMP回送应答消息给源主机。如果源主机在一定时间内收到应答，则认为主机可达。

1.4 TCP与UDP的区别

• 基于连接与无连接；
• 对系统资源的要求（TCP较多，UDP少）；
• UDP程序结构较简单；
• 流模式与数据报模式 ；
• TCP保证数据正确性，UDP可能丢包；
• TCP保证数据顺序，UDP不保证。

1.5 UDP通信示例（以python为例）

1.5.1 server端

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
 
'a udp server example which send time to client.'
 
import socket
 
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
# 绑定端口:
s.bind(('127.0.0.1', 9999))
print 'Bind UDP on 9999...'
while True:
    # 接收数据:
    data, addr = s.recvfrom(1024)
    print 'Received from %s:%s.' % addr
    s.sendto('Hello, %s!' % data, addr)

• 创建Socket时，SOCK_DGRAM指定了这个Socket的类型是UDP。绑定端口和TCP一样，但是不需要调用listen()方法，而是直接接收来自任何客户端的数据
• recvfrom()方法返回数据和客户端的地址与端口，这样，服务器收到数据后，直接调用sendto()就可以把数据用UDP发给客户端。

1.5.2 client端

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
 
'a socket example which send echo message to server.'
 
import socket
 
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
for data in ['Michael', 'Tracy', 'Sarah']:
    # 发送数据:
    s.sendto(data, ('127.0.0.1', 9999))
    # 接收数据:
    print s.recv(1024)
s.close()

• 客户端使用UDP时，首先仍然创建基于UDP的Socket，然后，不需要调用connect()，直接通过sendto()给服务器发数据：
• 从服务器接收数据仍然调用recv()方法。

2. 其他网络知识点总结

        TCP/IP协议是一个协议簇。里面包括很多协议的，UDP只是其中的一个， 之所以命名为TCP/IP协议，因为TCP、IP协议是两个很重要的协议。TCP/IP协议集包括应用层，传输层，网络层等各层协议。

2.1 应用层协议

• HTTP，超文本传输协议
• FTP，文件传输协议；TFTP，简单文件传输协议
• SMTP，简单邮件传送协议
• 邮件读取协议，POP3，IMAP（网际报文存取协议，Internet Message Access Protocol）
• MIME，通用互联网邮件扩充
• TELNET，远程终端协议。提供远程访问其它主机功能, 它允许用户登录internet主机，并在这台主机上执行命令
• DHCP，动态主机配置协议
• SNMP，简单网络管理协议。该协议提供了监控网络设备的方法， 以及配置管理,统计信息收集,性能管理及安全管理等
• DNS，域名系统。该系统用于在internet中将域名及其公共广播的网络节点转换成IP地址。

2.2 传输层协议

• TCP，传输控制协议
• UDP，用户数据报协议

2.3 网络层协议

• IP，Internet协议
• ICMP，Internet控制信息协议
• ARP，地址解析协议
• RARP，反向地址解析协议

 

参考资料：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/24860273

https://blog.csdn.net/gs344937933/article/details/89534570

https://blog.csdn.net/weixin_39138071/article/details/79630133

https://www.liaoxuefeng.com/wiki/897692888725344/923056684385152