1、引言

UDP是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的運(yùn)輸層協(xié)議：進(jìn)程的每個輸出操作都正好產(chǎn)生一個UDP數(shù)據(jù)報,，并組裝成一份待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報,。UDP數(shù)據(jù)報封裝成一份IP數(shù)據(jù)報的格式如圖11-1所示。

說明：

（1）UDP不提供可靠性：它把應(yīng)用程序傳給IP層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去,，但是并不保證它們能到達(dá)目的地,。

（2）應(yīng)用程序必須關(guān)心IP數(shù)據(jù)報的長度。如果它超過網(wǎng)絡(luò)的MTU,，就要對IP數(shù)據(jù)報進(jìn)行分片,。如果需要，源端到目的端之間的每個網(wǎng)絡(luò)都要進(jìn)行分片,，并不只是發(fā)送端主機(jī)連接第一個網(wǎng)絡(luò)才這樣做（路徑MTU與網(wǎng)絡(luò)MTU的概念可以參考：《TCP/IP詳解卷1：協(xié)議》第2章 鏈路層-讀書筆記）,。

2、UDP首部

UDP首部的各字段如圖11-2所示。

說明：

（1）端口號表示發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程,。TCP端口號與UDP端口號是相互獨(dú)立的,。如果TCP和UDP同時提供某種知名服務(wù)，兩個協(xié)議通常選擇相同的端口號,，只是為了方便,，而不是協(xié)議本身的要求。

（2）UDP長度字段指的是UDP首部和UDP數(shù)據(jù)的字節(jié)長度,。該字段的最小值為8字節(jié)（發(fā)送一份0字節(jié)的UDP數(shù)據(jù)報是可以的）,。這個UDP長度是有冗余的。

（3）UDP數(shù)據(jù)報長度是全長減去IP首部的長度,。

3,、UDP檢驗和

UDP檢驗和覆蓋UDP首部和UDP數(shù)據(jù)。而IP首部的檢驗和,，只覆蓋IP的首部,，并不覆蓋IP數(shù)據(jù)報中的任何數(shù)據(jù)。UDP和TCP在首部中都有覆蓋它們首部和數(shù)據(jù)的檢驗和,。UDP的檢驗和是可選的,，而TCP的檢驗和是必需的。UDP檢驗和的基本計算方法IP首部檢驗和計算方法相似（16 bit字的二進(jìn)制反碼和）,，但它們之間存在不同的地方：

（1）UDP數(shù)據(jù)報的長度可以為奇數(shù)字節(jié),，但檢驗和算法是把若干個16 bit字相加。解決方法是必要時在最后增加填充字節(jié)0,，這只是為了檢驗和的計算,，可能增加的填充字節(jié)不被傳送。

（2）UDP數(shù)據(jù)報和TCP段都包含一個12字節(jié)長的偽首部,，它是為了計算檢驗和而設(shè)置的,。偽首部包含IP首部一些字段，目的是讓UDP兩次檢查數(shù)據(jù)是否已經(jīng)正確到達(dá)目的地,。UDP數(shù)據(jù)報中的偽首部格式如圖11-3所示,。

說明：

（1）UDP數(shù)據(jù)報的長度在檢驗和計算過程中出現(xiàn)兩次。

（2）如果檢驗和的計算結(jié)果為0,，則存入的值為全1（65535）,，這在二進(jìn)制反碼計算中是等效的。如果傳送的檢驗和為0,，說明發(fā)送端沒有計算檢驗和,。

（3）如果發(fā)送端沒有計算檢驗和而接收端檢測到檢驗和有差錯，UDP數(shù)據(jù)報就要被丟棄,。不產(chǎn)生任何差錯報文（當(dāng)IP層檢測到IP首部檢驗和有差錯時也這樣做）,。

（4）UDP檢驗和是一個端到端的檢驗和,。它由發(fā)送端計算，然后由接收端驗證,。其目的是為了發(fā)現(xiàn)UDP首部和數(shù)據(jù)在發(fā)送端到接收端之間發(fā)生的任何改動,。

（5）盡管UDP檢驗和是可選的，但是它們應(yīng)該總是在用,。

（6）UDP檢驗和（事實上,，TCP/IP協(xié)議簇中所有的檢驗和）是簡單的16 bit和。它們檢測不出交換兩個16 bit的差錯,。

4,、IP分片

物理、網(wǎng)絡(luò)層一般要限制每次發(fā)送數(shù)據(jù)幀的最大長度,。任何時候IP層接收到一份要發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報時,，它要判斷向本地哪個接口發(fā)送數(shù)據(jù)（選路），并查詢該接口獲得其MTU,。IP把MTU與數(shù)據(jù)報長度進(jìn)行比較,，如果需要則進(jìn)行分片。

說明：

（1）分片可以發(fā)生在原始發(fā)送端主機(jī)上,，也可以發(fā)生在中間路由器上。

（2）把一份IP數(shù)據(jù)報分片以后,，只有到達(dá)目的地才進(jìn)行重新組裝,。重新組裝由目的端的IP層來完成，目的是使分片和重新組裝過程對運(yùn)輸層（TCP和UDP）是透明的,。

注意：其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可能要求在下一站就進(jìn)行進(jìn)行重新組裝,，而不是在最終的目的地。

（3）已經(jīng)分片過的數(shù)據(jù)報有可能會再次進(jìn)行分片（可能不止一次）,。

IP首部中包含的數(shù)據(jù)為分片和重新組裝提供了足夠的信息,。

IP分片過程：

（1）對于發(fā)送端發(fā)送的每份IP數(shù)據(jù)報，標(biāo)識字段都包含一個唯一值,，該值在數(shù)據(jù)報分片時被復(fù)制到每個片中,。

（2）標(biāo)志字段用其中一個比特來表示“更多的片”。除了最后一片外,，其他每個組成數(shù)據(jù)報的片都要把該比特置1,。

（3）片偏移字段指的是該片偏移原始數(shù)據(jù)報開始處的位置。

說明：

（1）當(dāng)數(shù)據(jù)報被分片后,，每個片的總長度值要改為該片的長度值,。

（2）標(biāo)志字段中有一個比特稱作“不分片”位。如果將這一比特置1,，IP將不對數(shù)據(jù)報進(jìn)行分片,。相反把數(shù)據(jù)報丟棄并發(fā)送一個ICMP差錯報文給起始端,。

（3）當(dāng)IP數(shù)據(jù)報被分片后，每一片都成為一個分組,，具有自己的IP首部,，并在選擇路由時與其他分組獨(dú)立。當(dāng)數(shù)據(jù)報的這些片到達(dá)目的端時有可能會失序,，但在IP首部中有足夠的信息讓接收端能正確組裝這些數(shù)據(jù)報片,。

（4）在分片時，除最后一片外,，其他每一片中的數(shù)據(jù)部分（除IP首部外的其余部分）必須是8字節(jié)的整數(shù)倍,。

（5）任何運(yùn)輸層首部只出現(xiàn)在第1片數(shù)據(jù)中。

5,、ICMP不可達(dá)差錯（需要分片）

發(fā)生ICMP不可達(dá)差錯的另一種情況是（前面講過端口不一致也會導(dǎo)致ICMP不可達(dá)差錯）,，當(dāng)路由器收到一份需要分片的數(shù)據(jù)報，而在IP首部又設(shè)置了不分片(DF)的標(biāo)志比特,。

如果某個程序需要判斷到達(dá)目的端的路途中最小MTU是多少（路徑MTU發(fā)現(xiàn)機(jī)制）,，那么這個差錯就可以被該程序使用。報文格式如圖11-9所示：

6,、最大UDP數(shù)據(jù)報長度

理論上,，IP數(shù)據(jù)報的最大長度是65535字節(jié)（IP首部16比特總長度字段）。去除20字節(jié)的IP首部和8字節(jié)的UDP首部,，UDP數(shù)據(jù)報中用戶數(shù)據(jù)的最大長度為65507字節(jié),。但實際大多數(shù)實現(xiàn)所提供的長度比這個最大值小。

（1）應(yīng)用程序可能會受到其程序接口的限制

socket API提供了一個可供應(yīng)用程序調(diào)用的函數(shù),，以設(shè)置接收和發(fā)送緩存的長度,。這個長度與應(yīng)用程序可以讀寫的最大UDP數(shù)據(jù)報的長度直接相關(guān)，現(xiàn)在的大部分系統(tǒng)都默認(rèn)提供可讀寫大于8192字節(jié)的UDP數(shù)據(jù)報,。

（2）限制來自于TCP/IP的內(nèi)核實現(xiàn),。

可能存在一些實現(xiàn)特性（或差錯），使IP數(shù)據(jù)報長度小于65535字節(jié),。

數(shù)據(jù)報截斷：

IP能夠發(fā)送或接收特定長度的數(shù)據(jù)報并不意味著接收應(yīng)用程序可以讀取該長度的數(shù)據(jù),。UDP編程接口允許應(yīng)用程序指定每次返回的最大字節(jié)數(shù)。如果接收到的數(shù)據(jù)報長度大于應(yīng)用程序所能處理的長度,，發(fā)生的情況取決于編程接口和實現(xiàn),。例如：Berkeley版socket API對數(shù)據(jù)報進(jìn)行截斷，并丟棄任何多余的數(shù)據(jù),。

7,、ICMP源站抑制差錯

當(dāng)一個系統(tǒng)（路由器或主機(jī)）接收數(shù)據(jù)報的速度比其處理速度快時，可能產(chǎn)生這個差錯,。

注意：“可能”產(chǎn)生這個差錯,。即使一個系統(tǒng)已經(jīng)沒有緩存并丟棄數(shù)據(jù)報,，也不要求它一定要發(fā)送源站抑制報文。

8,、UDP服務(wù)器的設(shè)計

對于服務(wù)器來說,，它啟動后處于休眠狀態(tài)，等待客戶請求的到來,。對于UDP來說,，當(dāng)客戶數(shù)據(jù)報到達(dá)時，服務(wù)器蘇醒過來,，數(shù)據(jù)報中可能包含來自客戶的某種形式的請求消息,。

（1）客戶IP地址及端口號

IP首部包含源端和目的端IP地址，UDP首部包含了源端和目的端的UDP端口號,。當(dāng)一個應(yīng)用程序接收到UDP數(shù)據(jù)報時,，操作系統(tǒng)必須告訴它是誰發(fā)送了這份消息，即源IP地址和端口號,。這個特性允許一個交互UDP服務(wù)器對多個客戶進(jìn)行處理,。給每個發(fā)送請求的客戶發(fā)回應(yīng)答。

（2）目的IP地址

一些應(yīng)用程序需要知道數(shù)據(jù)報是發(fā)送給誰的,，即目的IP地址,。這要求操作系統(tǒng)從接收到的UDP數(shù)據(jù)報中將目的IP地址交給應(yīng)用程序。

（3）UDP輸入隊列

大多數(shù)UDP服務(wù)器是交互服務(wù)器,。這意味著,，單個服務(wù)器進(jìn)程對單個UDP端口上（服務(wù)器上的名知端口）的所有客戶請求進(jìn)行處理。

通常程序所使用的每個UDP端口都與一個有限大小的輸入隊列相聯(lián)系,。來自不同客戶的差不多同時到達(dá)的請求將由UDP自動排隊。接收到的UDP數(shù)據(jù)報以其接收順序交給應(yīng)用程序

排隊溢出造成內(nèi)核中的UDP模塊丟棄數(shù)據(jù)報的可能性是存在的,。

1）應(yīng)用程序并不知道其輸入隊列何時溢出,。只是由UDP對超出數(shù)據(jù)報進(jìn)行丟棄處理。

2）沒有發(fā)回任何信息告訴客戶其數(shù)據(jù)報被丟棄,。

（4）限制本地IP地址

大多數(shù)UDP服務(wù)器在創(chuàng)建UDP端點(diǎn)時都使其本地IP地址具有通配符(wildcard)的特點(diǎn),。表明進(jìn)入的UDP數(shù)據(jù)報如果其目的地為服務(wù)器端口，那么在任何本地接口均可接收到它,。

另一方面,，當(dāng)服務(wù)器創(chuàng)建端點(diǎn)時，它可以把其中一個主機(jī)本地IP地址包括廣播地址指定為端點(diǎn)的本地IP地址,。只有當(dāng)目的IP地址與指定的地址相匹配時,，進(jìn)入的UDP數(shù)據(jù)報才能被送到這個端點(diǎn)。

（5）限制遠(yuǎn)端IP地址

大多數(shù)系統(tǒng)都允許UDP端點(diǎn)對遠(yuǎn)端地址進(jìn)行限制,，即端點(diǎn)將只能接收特定IP地址和端口號的UDP數(shù)據(jù)報,。

（6）每個端口有多個接收者

大多數(shù)系統(tǒng)在某一時刻只允許一個程序端點(diǎn)與某個本地IP地址及UDP端口號相關(guān)聯(lián),。當(dāng)目的地為該IP地址及端口號的UDP數(shù)據(jù)報到達(dá)主機(jī)時，就復(fù)制一份傳給該端點(diǎn),。

然而,，在一個支持多播的系統(tǒng)上，多個端點(diǎn)可以使用同一個IP地址和UDP端口號,。

當(dāng)UDP數(shù)據(jù)報到達(dá)的目的IP地址為廣播地址或多播地址,，而且在目的IP地址和端口號處有多個端點(diǎn)時，就向每個端點(diǎn)傳送一份數(shù)據(jù)報的復(fù)制,。如果UDP數(shù)據(jù)報到達(dá)的是一個單播地址,，那么只向其中一個端點(diǎn)傳送一份數(shù)據(jù)報的復(fù)制。選擇哪個端點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)取決于各個不同的系統(tǒng)實現(xiàn),。

小結(jié)：

（1）UDP是一個簡單協(xié)議,，它向用戶進(jìn)程提供的服務(wù)位于IP層之上，包括端口號和可選的檢驗和,。ICMP不可達(dá)差錯,，是新的路徑MTU發(fā)現(xiàn)功能中的一部分。

（2）對于UDP和ARP之間的接口,，大多數(shù)的ARP實現(xiàn)在等待ARP應(yīng)答時只保留最近傳送給目的端的數(shù)據(jù)報,。

（3）當(dāng)系統(tǒng)接收IP數(shù)據(jù)報的速率超過這些數(shù)據(jù)報被處理的速率時，系統(tǒng)可能發(fā)送ICMP源站抑制差錯報文,。使用UDP時很容易產(chǎn)生這樣的ICMP差錯,。