中科大计网学习记录笔记（十四）：多路复用与解复用 | 无连接传输：UDP

前言：

学习视频：中科大郑烇、杨坚全套《计算机网络（自顶向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》课程
该视频是B站非常著名的计网学习视频，但相信很多朋友和我一样在听完前面的部分发现信息量过大，有太多无法理解的地方，在我第一次点开的时候也有相同的感受，但经过了一段时间项目的学习，对计网有了更多的了解，所以我准备在这次学习的时候做一些记录并且加入一些我的理解，希望能够帮助到大家。
往期笔记可以看专栏中的内容😊😊😊

3.2 多路复用与解复用

💡 在了解多路复用之前先要知道端口的概念：

• 在TCP/IP协议中，端口用于 标识应用程序的通信终点，允许 多个应用程序在同一台计算机上同时进行网络通信。
• 端口分为两种类型：TCP端口和UDP端口。

3.2.1 TCP 的多路复用与解复用

👉 在上面 socket 编程了解到：TCP 协议会将 源IP、源端口 和 目标 IP、目标端口封装到 socket 中

• 封装了这些信息的 TCP 报文段（Segment）被作为 SDU 交给下一层，网络层
• 通过对等实体的传输到对方主机的网络层
• 对方主机通过传输过来的四元组信息找到对应的 socket 来达到解复用，将信息传输给不同的应用进程。

💡 sock 其实就是 socket 的简称，指的是套接字。

3.2.2 UDP 的多路复用与解复用

💡 UDP 的 socket 与 TCP 不同，其中只封装了本主机的信息，也就是源 IP 和 源端口

• 目标 IP 和目标端口作为调用 API 的参数传入

👉 通过 UDP 的 socket 同样也可以实现多路复用

• 解复用即当信息通过网络层传输到对方的主机，对方主机从网络层中获取到 源 IP 和 源端口 以及 本主机的 IP 和 端口，由此可以找到本主机的进程来实现解复用。

💡 多路复用就是通过本机的不同端口来使得信息分流传输

• 解复用就是通过传输来的信息找到请求的是哪个端口（port）

3.3 无连接传输：UDP

3.3.1 基本概念

💡 UDP：User Datagram Protocol（用户数据数据报协议）

👉 与 TCP 不同的是，UDP 在网络层端到端传输的基础上只是简单的将数据封装成数据报，实现了进程之间的通信而没有像 TCP 那样做拥塞控制、流量控制等的操作。

• 所以 UDP 提供的是一种 “尽力而为” 的服务，报文段可能会丢失或者乱序
• 但是需要注意的是，并不是说 UDP 无法实现可靠的传输，通过 应用层 自身是可以实现可靠传输的。

👉 UDP 被用于：

• 流媒体（对于丢失不敏感而对于速率敏感，应用可控制传输速率）
• DNS
• SNMP

💡 应用可控制传输速率

• 因为没有 TCP 提供的控制服务，UDP 接收到应用传输的数据就直接将其通过 IP 发送出去，所以使用 UDP 应用是可以控制传输速率的，这对流媒体来说非常重要。

3.3.2 UDP 报文段格式

💡 报文段是指在传输层使用该协议时，从发送端到接收端单次传输的数据单元，也就是前面提到的 PDU。

👉 UDP 的报文段包含如下的数据

1. 源端口号（Source Port）：占用2个字节，用于标识发送方的端口号。
2. 目标端口号（Destination Port）：占用2个字节，用于标识接收方的端口号。
3. 长度（Length）：占用2个字节，表示UDP报文段的长度，包括头部和数据部分。
4. 校验和（Checksum）：占用2个字节，用于检测UDP报文段在传输过程中是否发生了错误。
5. 数据（Data）：占用可变长度，包含了传输的实际数据。

❓ 为什么要有 UDP？

• UDP 不建立连接，前面学到的 TCP 三次握手过程来建立连接毫无疑问会增加延迟
• 状态较为简单，发送端和接收端没有链接的状态
• 报文段的头部很小，只包含上面提到的四种内容，相比于 TCP 的十一种提升很大
• 没有拥塞控制和流量控制，UDP 可以尽可能快的发送报文段
  • 应用传输的速率近似登录主机向网络中的传输速率

3.3.3 UDP 校验和

💡 UDP校验和（Checksum）是为了检测在传输过程中数据报文是否出现差错而设立的一种机制。它通过计算特定的数据序列的二进制反码求和，并确保在网络中传递时数据的完整性。

👉 下面是形成 UDP 校验和的步骤

1. 构造伪首部：伪首部（Pseudo Header）是TCP和UDP在计算校验和时临时构造的一个数据结构，它并不实际存在于网络传输的数据包中，而是在发送方和接收方计算校验和时分别创建并使用的。
   • 伪首部由以下部分组成，其结构类似于IP头部的一部分：源IP地址、目的IP地、协议字段、UDP长度
2. 准备数据：将UDP首部（8字节，包含源端口号、目的端口号、长度和校验和字段，但此时校验和字段应置为0）与UDP数据载荷一起考虑进来。
3. 逐16位相加：将所有16位数据单元（包括伪首部、UDP首部以及数据载荷中的每一对字节）按照网络字节顺序（大端序）进行二进制相加。
4. 补溢出：如果在累加过程中产生了进位（即结果超过16位），则将高16位与低16位相加，直到没有进位为止。
5. 取反：最终得到一个无进位的16位数字，对该16位数求取反码，得到的结果就是UDP校验和。
6. 设置到首部：将计算得出的校验和写入UDP首部的校验和字段。

💡 为什么要取反码？

• 接收方接收到的的首部是是取反码构建的，其再通过相同的步骤对上述内容求和再与反码进行相加，得到的就是 16 位的全 1，检验较为简单。