运输层---UDP协议

一. 无连接运输：UDP

1.1 定义

• UDP（User Datagram Protocol）用户数据报协议：由 [RFC 768] 定义的协议。只做运输层协议能做的最少的工作，除了复用/分解功能以及少量差错检测外，几乎没有对IP协议增加别的东西。

运输层协议最低限度必须提供一种复用/分解服务。

• 构成：从应用进程得到数据，附加上源端口号字段和目的端口号字段，以及两个其他的小字段（长度字段，检验和字段checksum）形成报文段交付给网络层。
  （网络层将UDP提供的报文段封装到IP数据报中，然后尽力而为地交付给目标主机。）

1.2 特点

UDP不提供不必要报文段交付之外的额外功能

• 1. 尽力而为的交付（不可靠数据传输服务）：不保证可靠交付，主机不需要维护复杂的连接状态。

QUIC协议（Quick UDP Internet Connections）：快速UDP因特网连接，是一种基于 UDP 的传输层协议。将UDP作为支撑运输协议并在UDP之上的应用层协议中实现可靠性。保证了数据的完整性和有序性。

• 2. 无连接的：通信时不需要创建连接（发送报文段之前，发送方域接收方运输层实体之间没有握手），减小了开销和发送数据前的时延。
• 3. 无阻塞控制：不会影响发送端的发送频率。（与TCP相比发送时延少，交付时间短）
• 4. 无连接状态 ：由于不提供可靠数据传输服务，也没有拥塞控制机制，UDP不维护连接状态，也不跟踪参数（接收/发送缓存，拥塞控制参数以及序号与确认号的参数）。
• 5. 面向报文：只在应用层交下来的报文前增加了首部后就向下交付IP层。
• 6. 首部开销小：只有8个字节，相对于TCP的20个字节的首部要短
• 7. 支持一对一、一对多、多对一、多对多的交互通信。

1.3 应用

• DNS：

  • 使用UDP的优势：无需建立连接，运行速度快。
  • 网络层将封装好的IP数据报发送给一个名字服务器，查询主机中的DNS应用程序等待响应。如果（由于底层网络丢失了查询或者响应或其他原因）未收到响应，要么向另一个名字服务器发送查询，要么通知调用它的应用程序无法获得响应。

• 流媒体

一种网上即时传输影音以供观赏的一种技术与过程。
流媒体技术将一连串的媒体数据压缩后，经过网上分段发送数据，在网上即时传输影音以供观赏。此技术使得数据包得以像流水一样发送。如果不使用此技术，就必须在使用前下载整个媒体文件。

• SNMP

SNMP（Simple Network Management Protocol）是一种用于网络管理的应用层协议，它为网络管理员提供了一种通过运行网络管理软件的中心计算机（即网络管理工作站）来管理设备的方法。

二. UDP报文段结构

UDP报文段包含数据报头（首部）和数据区两部分：

• 数据报头：由4个字段（每个字段有2字节）组成，分别是：源端口、目的端口、报文长度和校验和。
• 数据区：包含UDP数据，长度在8字节~65535字节之间，在终点交付报文时需要用到。

数据报头具体释义如下：

• 源端口：可选字段，通常包含发送数据报的应用程序所使用的UDP端口。需要对方回信时选用，如果不需要对方回信，可置0。
• 目的端口：接收端计算机上UDP软件使用的端口，占据16位。
• 报文长度：该字段占据16位，表示UDP数据报长度，包含UDP报文头和UDP数据长度。因为UDP报文头长度是8个字节，所以这个值最小为8。
• 校验和：检测UDP数据在传输中是否出错，有错则丢弃。该字段可选，当源主机不想计算校验和，则置0。

实际上计算检验和时UDP包含了伪首部，其中包括了源IP地址、目的IP地址、协议号、以及UDP数据的长度，这些信息也要包含在计算校验和的过程中，以确保数据的完整性和正确性。

三. UDP检验和

3.1 定义

• 目的： 提供差错检测功能，检测在被传输报文段中的差错 (如比特反转)
• 实现：
  • 发送方： UDP数据报分成若干个16位的比特字（如果数据报的长度不是16位的整数倍，则在末尾填充0），对所有比特字进行求和运算，求和时遇到的任何溢出都被回卷，取累加和的反码作为校验和，放在 UDP报文段中的检验和字段。

进位回卷： 如果累加和超过16位，则将高位的进位加到低位上

ps：这里的取反码是指将16比特01数据中的0与1反转互换，即1变为0，0变为1。

• 接收方：接收到UDP数据报后会重新计算校验和，然后将计算得到的校验和与接收到的校验和进行比较。如果两者相同，则说明数据在传输过程中可能没有发生错误；如果不同，则说明数据被修改或损坏。

校验范围+校验和=1111111111111111 则通过校验， 否则没有通过校验

3.2 检验和计算实例

回卷：取出超过16位比特的进位（也就是数字1），与最后一位相加（如果出现多次溢出，则重复回卷过程直到无溢出），得到最后的和，再进一步得到检验和。

3.2 UDP检验和的局限

• 1. UDP虽然提供差错检测，但是对差错恢复无能为力。
• 2. 某种实现：丢弃受损报文段
• 3. 其他实现：将受损报文段交给应用程序并给出警告。