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UDP协议理解

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种常见的网络通信协议，属于传输层协议，与 TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）一起，为网络应用提供数据传输服务。UDP 提供了一种 无连接的、尽力而为 的数据传输方式，它不像 TCP 那样建立连接和保证数据的可靠传输。UDP工作在 OSI 模型的第4层 —— 传输层。

UDP 协议的特点：

• 无连接：

  UDP 是无连接的协议，这意味着在发送数据之前，不需要和接收端建立连接。数据包的发送不依赖于先前的通信状态，这使得 UDP 在发送数据时没有过多的控制开销。

• 尽力而为：

  UDP 提供的是一种尽力而为的服务，它不会保证数据的可靠性、顺序或完整性。发送的数据包可能会丢失、重复，或按不同的顺序到达。UDP 不会对这些问题进行处理，也不会进行任何重传或确认操作。

• 数据报传输：

  在 UDP 中，数据被包装成数据报（datagrams）。每个数据报都是一个独立的单位，包含了目标地址和端口信息，接收方会根据这些信息来处理数据。

• 低延迟：

  由于 UDP 不需要建立连接、确认数据传输等，它的开销非常小，这意味着传输延迟也较低，因此适合于需要快速响应的应用场景。

• 没有流量控制和拥塞控制：

  UDP 不进行流量控制和拥塞控制，这意味着它不会考虑网络的负载情况，也不会像 TCP 那样避免网络拥塞。这虽然提高了效率，但也可能导致网络的负载过重。

UDP协议图示

在UDP协议中，伪首部（Pseudo Header）并不是UDP报文的一部分，但它在计算UDP校验和时非常重要。伪首部包含了与IP协议相关的一些字段，它的作用是确保数据的完整性和正确性。以下是伪首部的详细介绍及其作用：

• 伪首部的组成
  伪首部实际上是由IP协议头的一部分与UDP数据包中的信息组成的。它的结构包括以下内容：

  • 源IP地址（Source IP Address）：源IP地址字段，IPv4中为32位。
  • 目标IP地址（Destination IP Address）：目标IP地址字段，IPv4中为32位。
  • 保留字段（Reserved）：1字节，值通常为0。
  • 协议字段（Protocol）：1字节，表示协议类型，对于UDP协议而言，这个字段的值是17（即0x11）。
  • UDP长度字段（UDP Length）：2字节，表示UDP数据包的长度（包含UDP头部和数据部分）。

• 伪首部的作用
  伪首部的主要作用是参与UDP校验和的计算。UDP协议本身不提供完整的错误检测机制（如TCP的序列号、确认号等），而是通过校验和来确保数据的完整性。为了确保数据正确无误地传输，伪首部被加入到UDP数据包的校验和计算过程中。其具体作用包括：

  • 确保源和目标IP地址一致性：通过将源和目标IP地址作为伪首部的一部分，校验和能够确保数据包确实从指定的源IP地址发送到目标IP地址。这防止了数据包被篡改或者通过错误的网络路径传输。

  • 协议类型标识：通过伪首部中的协议字段（值为17），UDP校验和能够区分不同的协议，确保数据包是UDP协议类型，并且正确地计算校验和。

  • 提高可靠性：伪首部保证了在计算UDP校验和时，不仅考虑UDP的负载，还考虑了IP层的关键信息（如源地址和目标地址），进一步提高了数据的完整性校验能力。

• 伪首部的校验和计算
  当计算UDP校验和时，首先会将伪首部与UDP数据包的UDP头部和数据部分（即UDP负载）一起计算。这意味着，UDP校验和不仅仅是对UDP包的内容进行校验，还验证了网络层的信息。

UDP 的头部结构：

UDP 数据包包含一个简单的头部，它主要包括以下几个字段：

• 源端口（Source Port）：16 位，表示发送方端口号（可选）。
• 目标端口（Destination Port）：16 位，表示接收方端口号。
• 长度（Length）：16 位，表示整个 UDP 数据报（包括头部和数据）的长度。
• 校验和（Checksum）：16 位，用于检测数据在传输过程中是否发生了错误。校验和是可选的，在某些情况下可以被省略。

UDP数据传输图示

UDP 的应用场景：

UDP 由于其高效的传输特性，适用于那些实时性要求高、容忍一定丢包的应用。常见的使用场景包括：

• 视频/音频流：

  如 视频会议、在线直播，这些应用需要低延迟和快速的数据传输，即使有少量数据丢失也不影响整体体验。

• 在线游戏：

  许多在线游戏使用 UDP 进行数据传输，因为游戏中的实时交互对延迟非常敏感，丢失少量数据不会对游戏产生严重影响。

• DNS（域名系统）：

  DNS 查询使用 UDP，因为它是短小的数据包，并且对实时性有较高要求。

• VoIP（网络语音通信）：

  VoIP 通话（如 Skype、Zoom）也使用 UDP 来保证语音数据流的低延迟传输。

TCP 与UDP对比

对比项	TCP	UDP
全称	传输控制协议（Transmission Control Protocol）	用户数据报协议（User Datagram Protocol）
连接性	面向连接（需三次握手建立连接）	无连接（直接发送数据）
可靠性	可靠传输（确认、重传、排序机制）	不可靠传输（无确认、重传机制）
数据顺序	保证数据按序到达	不保证数据顺序
流量控制	支持（滑动窗口机制）	不支持
拥塞控制	支持（动态调整发送速率）	不支持
传输速度	较慢（需额外控制机制）	较快（无额外控制开销）
头部大小	较大（20-60 字节，包含更多控制信息）	较小（8 字节，固定头部）
适用场景	对可靠性要求高的场景（如网页、文件传输）	对实时性要求高的场景（如视频流、在线游戏）
数据边界	无明确边界（基于字节流）	有明确边界（保留数据报边界）
协议复杂度	复杂	简单
典型应用	HTTP、FTP、SMTP、SSH	DNS、VoIP、直播、在线游戏

UDP的传输丢包和顺序错乱问题（了解）

UDP（用户数据报协议）本身并不处理丢包或顺序错乱的问题，因为它是一个无连接、尽力而为的协议，这意味着它不会保证数据的可靠性、顺序或完整性。因此，UDP 在传输过程中可能会发生丢包、顺序错乱或者重复数据等情况。

然而，在某些应用中，丢包和顺序错乱是可以容忍的，比如实时视频、语音通话等，哪怕出现一些丢失的数据包，对整体体验影响不大。不过，如果应用程序确实需要解决这些问题，通常会在应用层进行相应的处理。

丢包的解决方法：

由于 UDP 不会自动重传丢失的数据包，因此如果应用程序需要解决丢包问题，通常会采取以下几种方法：

• 应用层的重传机制：

  由于 UDP 本身没有重传机制，应用层可以自行实现重传功能。当接收端检测到丢包时，可以请求发送端重发丢失的数据包。这种机制在很多需要可靠数据传输的场景中都可以实现，比如实时视频流或者在线游戏。

• 使用 FEC（前向纠错）技术：

  FEC 技术通过添加冗余数据来提前纠正一些丢失的包。接收端可以利用这些冗余数据恢复丢失的包，而不需要等待重传。例如，视频流中可能会利用 FEC 技术来应对丢包，避免影响观看体验。

• 冗余发送：

  发送端可以重复发送一些关键数据包，或者在发送多个数据包时，确保每个数据包的内容有备份。这种方法在视频会议、直播等场景中有时会使用，确保即使一些数据包丢失，也能恢复正常显示。

顺序错乱的解决方法：

UDP 不保证数据包按顺序到达，因此接收端可能会收到错乱的数据包。为了解决这个问题，通常可以采用以下方法：

• 在应用层进行排序：

  接收端根据每个数据包中的序列号，将乱序的数据包重新排列。例如，视频流、音频流和在线游戏常常会为每个数据包加上序列号，接收端通过序列号来判断数据包的顺序，并按正确顺序重组数据。

• 缓冲区：

  另一种方法是设置一个缓冲区，接收端将收到的数据包存储在缓冲区中，并根据序列号或时间戳进行排序。当接收到所有相关数据包时，才将它们交给应用程序使用。这种方式可以确保数据包按顺序处理，即使它们到达的顺序不一致。

• 顺序编号和时间戳：

  每个数据包可以附加一个序列号或时间戳，接收端根据这些标识来重新排序数据包。如果某些数据包没有按顺序到达，接收端可以等待这些数据包，然后进行排序。

综合应用：

在一些复杂的应用中，可能会结合上述多种技术来处理丢包和顺序错乱问题：

• 实时传输协议（RTP）：RTP 是专门为实时应用（如 VoIP、视频会议）设计的协议，它在 UDP 基础上添加了顺序编号、时间戳和丢包指示功能，用于确保数据按顺序到达并对丢包进行补救。
• UDP + TCP 混合：在某些应用中，可能会结合 UDP 和 TCP 两种协议，根据具体场景选择使用。比如，UDP 用于实时传输（低延迟），而 TCP 用于文件传输或确保数据的完整性和顺序。