《TCP/IP详解 卷一》第10章 UDP 和 IP 分片

目录

10.1 引言

10.2 UDP 头部

10.3 UDP校验和

10.4 例子

10.5 UDP 和 IPv6

10.6 UDP-Lite

10.7 IP分片

10.7.1 例子：IPV4 UDP分片

10.7.2 重组超时

10.8 采用UDP的路径MTU发现

10.9 IP分片和ARP/ND之间的交互

10.10 最大UDP数据报长度

10.11 UDP服务器的设计

10.11.1 IP地址和UDP端口号

10.11.2 限制本地IP地址

10.11.3 使用多地址

10.11.4 限制远端IP地址

10.11.5 每端口多服务器的使用

10.11.6 跨越地址族：IPv4和IPv6

10.11.7 流量和拥塞控制的缺失

10.12 UDP/IPV4和UDP/IPV6数据报的转换

10.13 互联网中的UDP

10.14 与UDP和IP分片相关的攻击

10.15 总结

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10.1 引言

UDP（User Datagram Protocol）：用户数据报协议。一种传输层协议。

        IPv4中协议字段值：17。

                特点：

                        有消息边界。

                        开销更小，因为没有TCP复杂机制。

当UDP应用程序每次调用send/write，就发出一个UDP数据报。

而TCP不一定，因为TCP可能分段，重组。

即TCP应用程序执行多次send/write调用会组合成一个数据包发送，或可能一个send/write调用被分成多个数据包发送。

10.2 UDP 头部

头部格式如下：

字段：

        源端口

        目的端口

        长度：UDP报文总长度，包括头部和数据。

        校验和：校验整个UDP报文。

每个socket在创建时必须指定协议类型（TCP或UDP），并绑定到特定端口。

因此，一个套接字不能同时监听TCP/UDP相同端口。

一个主机可以创建两个socket，分别监听TCP和UDP的相同端口号，表示两种不同服务。

10.3 UDP校验和

UDP校验和：校验范围覆盖UDP头部、UDP数据，伪头部。

伪头部（pseudo-header）：

        计算UDP校验和时，根据IP头信息生成的虚拟头部。

        伪头部格式通常包括：

                源IP、目标IP、协议类型（UDP），UDP数据报总长等。

        作用：提供更多信息，确保校验更精确。

伪头部细节如下图：

NAT会改变报文IP和端口，所以经过NAT后需要重新校验和。

IPv4头中也有校验和，但只校验IPv4头内容，不包括IP载荷。

        在每跳都要重新计算，因为TTL字段值减小。

小结：

        IPv4头的校验和字段：只校验IPv4头内容。

        传输层TCP/UDP头的校验和字段：校验范围不仅包含传输层头，还有载荷。

10.4 例子

10.5 UDP 和 IPv6

IPv6中TCP/UDP都需要伪头部来计算校验和。

Teredo隧道：

        IPv6数据被封装成IPv4 UDP数据报后，发给Teredo中继，中继解封装后把IPv6报文转发给主机。

Teredo和GRE对比：

        通用性：

                GRE更通用，可封装任何类型数据包。

                Teredo只用于IPv4 UDP封装IPv6数据。

        实现方式：

                GRE：不需要服务器或中继。

                Teredo：需要服务器和中继。

10.6 UDP-Lite

UDP：校验是可选的，要么校验整个UDP报文，要么不校验。

UDP-Lite：对UDP数据一部分校验，而不是整个数据报校验。

        所以未校验部分，容忍比特差错。

UDP-Lite：有单独的IPv4协议和IPv6协议号。算是一种新的传输层协议。

所以UDP- Lite有一个校验和覆盖范围字段，表示需要校验哪部分数据。

        最小值为8，即只校验UDP-Lite头。

        特殊值：0，表示校验整个负载。

socket简化程序举例，设置UDP-Lite校验和覆盖范围：

int main() {

        int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDPLITE);

        int send_cscov = 8; // 只校验UDP-Lite头。

        setsockopt(sockfd, IPPROTO_UDPLITE, UDPLITE_SEND_CSCOV, &send_cscov, sizeof(send_cscov)) ；

        

        int recv_cscov = 0; // 校验整个负载

        setsockopt(sockfd, IPPROTO_UDPLITE, UDPLITE_RECV_CSCOV, &recv_cscov, sizeof(recv_cscov))；

}

10.7 IP分片

IPv6只允许源主机分片，不允许中间转发设备分片，可减少中间设备负担。

IPv4既允许源主机分片，也允许中间路由器分片。

IP数据报大于MTU则分片。

被分片IP数据报，到了目的地才会重组，这样设计有两个原因：

        1. 减轻中间路由器转发负担。

        2. 同一数据报的不同分片可能经不同路径到达目的地，此时路径上路由器不能收到所有分片，搜到没有能力重组原始数据。

10.7.1 例子：IPV4 UDP分片

数据报分片后，每个分片IPv4头中的总长度字段被修改成该分片的总长度。

任一分片丢失，整个IP数据报无法完整接收。

当TCP报文的一个分片丢失了，TCP协议栈会重传整个TCP报文段，所以通常尽量避免TCP分片。

除最后一个分片外所有分片数据部分应是8字节倍数。

tcpdump为了能打印除了第一个分片外的其他分片的端口号，尝试重组其他分片的数据报，以恢复只出现在第一个分片的UDP头部中的端口号。

10.7.2 重组超时

当任一分片最先到达时，IP层就启动计时器。

若超时前未收到所有分片，无法重组源报文，会丢弃所有分片，防止缓存耗尽。

超时时间：一般30s，60s。

只有接收到了第一个分片并且分片重组失败时，才产生ICMP错误。

10.8 采用UDP的路径MTU发现

PMTU：路径MTU 。

PMTUD：路径MTU发现。

        作用：发现路径中MTU的最小值。发送报文不超过MTU，防止分片。

UDP PMTUD原理：

        源端发送一个较大UDP数据报，并设置 DF（Don't Fragment）标志，确保不被分片。

        某个中间路由器发现数据报超过其出接口MTU，则丢弃该数据报并回复"Packet Too Big" 的ICMP 错误消息给源端。

        源端收到ICMP错误消息后，得到其中指示的MTU。于是重新发送较小的UDP数据报。

        重复该过程就获得一个可在所有路由器通过的MTU，即路径最小MTU，PMTU。

IP层会基于每个目的地址缓存一个PMTUD值，有到该目的地报文则更新，否则超时需要重新尝试PMTUD。

PPPoE MTU：1492

        1500字节去除了6字节PPPoE头部，2字节PPP头部。

10.9 IP分片和ARP/ND之间的交互

10.10 最大UDP数据报长度

理论一个IPv4数据报的最大长度是65535字节。

但实际存在限制，如：

        1. 系统，setsocketopt设置收发缓存大小。

        2. 应用程序。read/write指定读写大小数目小于一个UDP数据报，大多数时候发生API截断数据报，丢弃数据报里超过接收应用程序指定字节数的数据。

MSG_TRUNC标志位：

        当socket收到超过recv函数指定接收缓冲区大小时，如果设置该标志位，系统将丢弃缓冲区以外数据，并且不报告任何错误，而是正常返回已接收数据长度。

MSG_TRUNC使用方法：

        len = recvfrom(sockfd, buf, BUF_SIZE, MSG_TRUNC, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);

如何获取截断数据大小：

        socklen_t optlen = sizeof(recv_len);

        getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &recv_len, &optlen);

而TCP是连续的字节流，没有消息边界，不会被截断。

10.11 UDP服务器的设计

10.11.1 IP地址和UDP端口号

SO_REUSEADDR：

        一个socket选项，当一个socket被关闭后，它的端口号会继续一段时间的被占用。

        在这个时间内，其他程序无法绑定相同端口号，出现"Address already in use"错误。

        设置SO_REUSEADDR选项后，当socket关闭后，立即可以被其他程序绑定，无需等待一段时间。

如何设置SO_REUSEADDR属性：

        int reuse = 1;

        setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse))；

10.11.2 限制本地IP地址

两种策略：

        1. 只有报文目的IP地址是该接收接口的IP时，才接收数据。

        2. 任何本地接口均可接收到目的IP是某本地接口之一的数据。

10.11.3 使用多地址

一台主机上，可以开启多个服务器进程，都使用同一个端口号，但每个服务器进程使用不同本机IP地址。

        通过ip addr add给本机设备配置多个IP地址。

此时需要用SO_REUSEADDR选项告诉系统允许重用相同的端口。

10.11.4 限制远端IP地址

可设置是否只接收来自指定源IPv4地址和端口号的UDP数据报。

10.11.5 每端口多服务器的使用

10.11.6 跨越地址族：IPv4和IPv6

10.11.7 流量和拥塞控制的缺失

UDP没有流量和拥塞控制机制。

10.12 UDP/IPV4和UDP/IPV6数据报的转换

10.13 互联网中的UDP

UDP占据了的互联网流量的10% ~ 40%，随着P2P应用增加，UDP流量也在上升。

互联网总体流量只有极少是分片的（大约分组数的0.3%，字节数的0.8%），而其中分片流量的68.3%是UDP。

常见分片流量如：

        多媒体视频流量（应用层大包）

        VPN隧道中封装/隧道流量（多层封装）

10.14 与UDP和IP分片相关的攻击

常见UDP DoS攻击：

        1. 短时间大流量。UDP没有流控。

        2. 放大攻击。伪造IP源成受害者地址，并设置目的地址为广播。于是广播目的地都回复报文给该受害者。

        3. 泪滴攻击。构造一个重叠偏移分片，可覆盖前一分片部分数据。

        4. 发送不带任何数据的分片，攻击IPv4重组程序。

10.15 总结

UDP是简单协议。

需要组播广播时使用UDP，可避免连接开销。

UDP使用场景：多媒体，P2P。