深入浅出：你需要了解的用户数据报协议（UDP）

用户数据报协议（UDP）是互联网协议套件中的一种协议，它在IP层之上增加了一些有限的功能，如端口功能和差错检测功能。虽然UDP用户数据报只能提供不可靠的交付，但它在某些方面有其特殊的优点。本文将带你深入了解UDP的基本概念、优点、报文结构以及多路分用模型。无论你是网络新手还是想要巩固基础知识，这篇文章都能让你对UDP有一个清晰的认识。

UDP概述

1. 无连接性

UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接，这样可以减少开销和发送数据之前的时延。这一特性使得UDP相比于其他协议（如TCP）更加轻量级和高效。举个例子，当你在进行视频通话时，你不希望每次发送数据都需要先建立一个连接，这样会增加延迟，影响通话质量。

2. 尽最大努力交付

UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，同时也不使用流量控制和拥塞控制。因此，主机不需要维持复杂的连接状态表。这对于某些应用来说非常重要，例如实时应用（如IP电话、实时视频会议等） ，这些应用要求以恒定速率发送数据，并且允许在网络发生拥塞时丢失一些数据。比如在IP电话中，一些数据包的丢失并不会显著影响通话质量，但延迟的增加却会。

3. 面向报文

UDP是面向报文的，也就是说，应用程序交给UDP一个报文，UDP就发送这个报文；而UDP收到一个报文，就把它交付应用程序。应用程序需要选择合适大小的报文，以避免在IP层传输时效率降低。举个例子，如果你发送的报文太长，IP层在传送时可能要进行分片，这会降低效率；如果报文太短，IP数据报的首部相对太大，也会降低效率。

4. 多种交互通信支持

UDP支持多种交互通信模式，包括一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信，使其在多种场景下都能灵活应用。例如，在多人视频会议中，UDP可以支持多个用户同时发送和接收数据，从而实现高效的多方通信。

5. 较少的首部开销

UDP首部只有8字节的开销，相比于TCP的20字节首部，这大大减少了数据传输的负担。对于需要频繁发送小数据包的应用，如在线游戏，这种减少开销的特性尤其重要。

UDP报文的首部格式

UDP用户数据报由两个部分组成：数据部分和首部。首部非常简单，只有8字节，由四个字段组成，每个字段都是2字节。这些字段包括源端口、目的端口、长度和检验和。

• 源端口：标识发送方的端口号。
• 目的端口：标识接收方的端口号。
• 长度：UDP用户数据报的总长度。
• 检验和：用于差错检测，防止数据报在传输中出错。

详细解释每个字段

1. 源端口：这是发送方的端口号，用于标识数据报的发送来源。例如，在一场在线游戏中，游戏服务器的端口号就是源端口。
2. 目的端口：这是接收方的端口号，用于标识数据报的接收目的地。例如，在同一场在线游戏中，玩家的端口号就是目的端口。
3. 长度：这是UDP用户数据报的总长度，包括首部和数据部分。这个字段确保接收方知道接收到的数据报的确切大小。
4. 检验和：这是一个差错检测码，用于验证数据报在传输过程中是否出错。如果检验和验证失败，数据报将被丢弃。

UDP的多路分用模型

UDP的多路分用模型如图所示。一个UDP端口与一个报文队列（缓存）关联，UDP根据目的端口号将到达的报文加到对应的队列中。应用进程根据需要从端口对应的队列中读取整个报文。需要注意的是，端口队列中的所有报文的目的IP地址和目的端口号相同，但源IP地址和源端口号可能不同。

多路分用的实际应用

在一个视频流应用中，不同的视频源（比如多个摄像头）可能发送数据到同一个服务器端口。服务器通过端口号将数据分配到不同的队列，然后应用程序从这些队列中读取数据进行处理。这样可以确保数据的有序和准确交付。

检验和的计算方法

UDP报文首部中的检验和计算方法有些特殊。在计算检验和时，要在UDP用户数据报之前增加12字节的伪首部。伪首部并不是UDP用户数据报真正的首部，仅在计算检验和时临时使用。通过这种方法，可以防止报文被意外地交付到错误的目的地。

伪首部的详细内容

伪首部包括以下字段：

1. 源IP地址：发送方的IP地址。
2. 目的IP地址：接收方的IP地址。
3. 全零字段：用于填充。
4. 协议字段：表示使用的协议类型，对于UDP，该值为17。
5. UDP长度：UDP用户数据报的总长度。

检验和计算步骤

1. 发送方先将检验和字段置为全零。
2. 将伪首部及UDP用户数据报看作由多个16位的字串组成。
3. 如果UDP用户数据报的数据部分不是偶数个字节，则填入一个全零字节（但此字节不发送）。
4. 按二进制反码计算这些16位字串的和。
5. 将此和的二进制反码写入检验和字段。
6. 发送这样的UDP用户数据报。

接收方会将收到的UDP用户数据报和伪首部（以及可能的填充全零字节）放在一起，再按二进制反码求这些16位字的和。当无差错时其结果应为全1，否则表明有差错出现，接收方就应丢弃该数据报（也可以上交应用层，附上出现差错的警告）。

实际应用中的UDP

1. 实时视频流

在实时视频流应用中，如YouTube直播或Twitch，UDP的低延迟特性尤为重要。实时视频流要求数据快速传输，即使丢失少量数据也不会显著影响用户体验。UDP可以在网络拥塞时迅速恢复，而无需等待重传确认。

2. 在线游戏

在线游戏同样依赖UDP的快速传输和低延迟特性。在多人在线游戏中，玩家的动作需要实时同步，即使丢失少量数据包，也不应影响游戏的流畅性。UDP能确保游戏中的数据传输迅速而无阻碍。

3. 物联网（IoT）

在物联网设备之间的通信中，UDP也被广泛使用。许多物联网设备需要定期发送状态更新或数据，这些数据通常很小且对延迟敏感。UDP的低开销和快速传输特性使其成为物联网通信的理想选择。

UDP的局限性

虽然UDP在许多应用中表现出色，但它也有一些局限性。由于缺乏流量控制和拥塞控制，网络拥塞时可能会导致数据丢失。此外，UDP不保证数据包的顺序和完整性，因此在需要高度可靠的应用中，TCP可能是更好的选择。

如何提高UDP的可靠性

尽管UDP本身不提供可靠性保证，但应用层可以通过一些手段来提高其可靠性。例如，前向纠错（FEC）和重传机制可以在不影响实时性的情况下减少数据丢失。应用进程可以在发送数据时加入冗余信息，接收方可以利用这些冗余信息来纠正错误或重建丢失的数据。

总结

UDP作为一种无连接的传输层协议，虽然不保证可靠交付，但在实时应用和要求低延迟的场景中具有明显优势。理解UDP的工作原理和优点有助于在实际应用中更好地选择合适的传输协议。希望通过本文，你对UDP有了更深入的了解，并能在未来的网络应用中灵活运用UDP。

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以上就是对UDP的全面解析，希望这篇文章能够帮助你更好地理解和掌握用户数据报协议。无论是理论学习还是实际应用，掌握这些基础知识都是非常重要的。如果你有任何疑问或需要进一步了解的内容，欢迎在评论区留言，我们一起讨论交流！

图文来源：《计算机网络教程》第六版微课版