详解UDP协议_udp通讯 csdn

引子

在之前的文章里面，我们介绍了TCP协议的相关内容。TCP协议是一种基于连接的传输层协议，他可以保证数据完整正确的从网络的一端到达另一端，但是代价是什么呢？当然就是传输速度了。

数据的可靠性和数据的传输速度是两个不可兼得的特性，可靠性就意味着要对数据进行反复确认，要实现建立连接，但是这些过程都需要浪费数据传输的时间。所以我们应该做的是在适当的使用场景使用适当的传输协议。

而在一些对数据可靠性要求不那么高，反而对数据传输速度要求比较高的场合，如视频聊天，语音通话等，就需要用到无连接的不可靠的传输协议了，也就是我们今天要讲的UDP协议。

UDP协议的特点

UDP协议具有以下特点

1. 无连接性：UDP是一种无连接的协议，发送端和接收端之间在通信之前不需要建立连接。每个UDP数据报都是独立的，独立于其他数据报，这使得UDP协议的通信开销较低。
2. 面向数据报的传输：UDP将应用程序传输的数据划分为较小的数据报进行传输，每个数据报都包含了完整的数据和目标地址信息。
3. 低延迟和高性能：由于UDP协议的简单性和无连接性，UDP具有较低的通信延迟。相对于TCP协议而言，UDP不需要进行连接的建立和断开，因此可以更快地发送数据。
4. 不可靠性和数据丢失：UDP协议不提供数据的可靠性保证。它不进行数据的确认和重传，也不提供错误检测和纠正机制。这意味着在传输过程中，UDP数据报可能会丢失、重复或者乱序。如果数据报在传输过程中丢失，UDP协议不会重新发送该数据报。
5. 无拥塞控制和流量控制：UDP协议没有内建的拥塞控制和流量控制机制。它不会根据网络的拥塞情况调整发送速率，而是一股脑地发送数据。这可能导致数据包的丢失或者网络拥塞的发生。因此，应用程序需要自行处理拥塞和流量控制的问题。

UDP数据报格式

就像TCP协议一样，UDP协议同样也是将数据切割为一个一个的数据报进行发送，下面是一个典型的UDP数据报的格式：

可以看到，UDP数据报由两部分构成，分别是首部和数据部分，其中首部占8字节，由以下字段组成：

• 源端口号，目的端口号：标识发送方和接收方的应用程序使用的端口号，和TCP协议中端口号的概念一样；
• UDP长度：标识UDP数据报的长度，包括报文和数据；
• UDP校验和：用来判断该数据报在传输过程中是否发生了错误，如果发生了错误，直接丢弃。

以上就是UDP报文段的格式，当某个应用程序要发送数据时，UDP将数据报的报头字段填充好，并将数据附加在报头后面，形成一个完整的UDP数据报，然后顺着网络进行传输。

当接收方的UDP从网络中接收到UDP数据报后，根据目标端口号将数据报交给对应的应用程序进行处理。接收方将解析数据报的报头字段，提取出数据并传递给应用程序处理。

这就是UDP协议中数据报的封装和解封装的过程。

校验和的使用

当使用UDP协议进行数据传输时，校验和是一项重要的机制，用于检测数据报在传输过程中是否发生了错误。毕竟虽然UDP是不可靠的传输方式，但数据报对不对还是要知道的，毕竟丢掉错数据总是比传输错数据要好。

我们可以首先介绍一下校验和的计算方法，以n个字节的数据需要求他的校验和为例：

1. 检查n是奇数还是偶数，如果是奇数的话，在所有数据的最后再添加1个字节的数据，这个字节的数据全设为0；
2. 按顺序将数据划分为16位的字块，也就是说每个字块占据两个字节；
3. 对多个字块执行二进制加法操作，注意，这里是二进制加法，而不是异或，是需要有进位的。通过加法操作，得到数据X；
4. 如果X的值超过16位的话，将高位溢出的部分加回到低位；
5. 将X的值按位取反，最后得到的数据便是校验和。

上面是这个过程的叙述，为了让大家更加直观的了解这个过程，可以举一个例子。比如说我有一个5字节的数据0x123456789A，我们要求这个数据的校验和。

1. 首先，这个数据的字节数不是一个偶数，所以最这个数据的最后要添0，即将这个数据变为0x123456789A00；

2. 按顺序将数据划分为16位的字块，如下图：
   

3. 对多个字块执行二进制加法操作，得到数据X，如图：
   

4. X的值超过16位，将高位溢出的部分加回到低位，得到0000 0010 1010 1101

5. 对X进行取反，得到校验和，所以0x123456789A的校验和就是1111 1101 0101 0010，也即0xFD52

如此，我们就知道了n个字节的数据如何求他的校验和，接下来我们介绍整个UDP报文段是如何求校验和的。

首先，会将UDP报文段进行扩展，在UDP报文段头部之前扩展出一个伪头部。伪头部中包含了4字节的源IP地址、4字节目的IP地址，1个字节的全0和1个字节的协议号最后还有2个字节的UDP长度，如下图：

伪头部的作用主要是将伪头部的这些消息也校验一次，防止发生比如发错地址等问题。当然，伪头部的消息在UDP报文段发送时候是不参与的，他们并不能算是UDP报文段的一部分，只是参与校验和的计算而已。

之后发送方把校验和置为全1，然后将所有的UDP伪头部、头部、数据部分一起进行校验和计算，得到最终的校验和，填入校验和字段，这就是UDP校验和计算的全过程。

UDP和TCP的应用场景

我们都知道TCP和UDP的一些区别，主要在于他们的可靠性和效率方面，我们这边列举了一些基于UDP和基于TCP的协议，供大家参考。