UDP知识简单梳理

概述

UDP（User Datagram Protocol），用户数据报协议，是OSI(Open System Interconnection，开放式系统互联) 参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC 768是UDP的正式规范。UDP提供了无连接通信，且不对传送数据包进行可靠性保证，适合于一次传输少量数据，UDP传输的可靠性由应用层负责。

UDP报文没有可靠性保证、顺序保证和流量控制字段等，可靠性较差。但是正因为UDP协议的控制选项较少，在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高，适合对可靠性要求不高的应用程序，或者可以保障可靠性的应用程序，如DNS、TFTP、SNMP等。
UDP在IP报文中的位置如下图所示：

UDP的报文格式

UDP首部有8个字节，由4个字段构成，每个字段都是两个字节。

• 源端口： 源端口号，需要对方回信时选用，不需要时全部置0.

• 目的端口：目的端口号，在终点交付报文的时候需要用到。

• 长度：UDP的数据报的长度（包括首部和数据）其最小值为8字节（只有首部），最大值为65535字节。

• 校验和：检测UDP数据报在传输中是否有错，有错则丢弃。
  该字段是可选的，当源主机不想计算校验和，则直接令该字段全为0。

  当传输层从IP层收到UDP数据报时，就根据首部中的目的端口，把UDP数据报通过相应的端口，上交给应用进程。
  如果接收方UDP发现收到的报文中的目的端口号不正确（不存在对应端口号的应用进程），就丢弃该报文，并由ICMP发送“端口不可达”差错报文给对方。

关于UDP的校验和

在计算校验和的时候，需要在UDP数据报之前增加12字节的伪首部，伪首部并不是UDP真正的首部。只是在计算校验和，临时添加在UDP数据报的前面，得到一个临时的UDP数据报。校验和就是按照这个临时的UDP数据报计算的。伪首部既不向下传送也不向上递交，而仅仅是为了计算校验和。这样的校验和，既检查了UDP数据报，又对IP数据报的源IP地址和目的IP地址进行了检验。

UDP校验和的校验范围如下：

UDP特性

• UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当UDP它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制;在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。

• 由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。

• UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。

• 吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。

• UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的链接状态表(这里面有许多参数)。

• UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。

UDP报文大小

因为UDP是面向报文的，在进行UDP编程的时候,我们最容易想到的问题就是,一次发送多少bytes好? 当然，这个没有唯一答案。相对于不同的系统，不同的要求，其得到的答案是不一样的。我这里仅对像ICQ一类的发送聊天消息的情况作分析，对于其他情况，或许也能得到一点帮助。

首先，我们知道TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统，包括链路层、网络层、传输层、应用层。UDP属于传输层,下面我们由下至上一步一步来看: 以太网(Ethernet)数据帧的长度必须在46-1500字节之间,这是由以太网的物理特性决定的。 这个1500字节被称为链路层的MTU(最大传输单元)。 但这并不是指链路层的长度被限制在1500字节，其实这个MTU指的是链路层的数据区并不包括链路层的首部和尾部的18个字节。所以事实上这个1500字节就是网络层IP数据报的长度限制。因为IP数据报的首部为20字节，所以IP数据报的数据区长度最大为1480字节。而这个1480字节就是用来放TCP传来的TCP报文段或UDP传来的UDP数据报的。又因为UDP数据报的首部8字节，所以UDP数据报的数据区最大长度为1472字节。这个1472字节就是我们可以使用的字节数。

当我们发送的UDP数据大于1472的时候会怎样呢？ 这也就是说IP数据报大于1500字节，大于MTU。这个时候发送方IP层就需要分片(fragmentation)。把数据报分成若干片，使每一片都小于MTU。而接收方IP层则需要进行数据报的重组。这样就会多做许多事情，而更严重的是，由于UDP的特性，当某一片数据传送中丢失时，无法重组数据报，将导致丢弃整个UDP数据报。因此，在普通的局域网环境下，建议将UDP的数据控制在1472字节以下为好。

PS：需要注意的，在分片的数据中，传输层的首部只会出现在第一个分片中，如下图所示。因为传输层的数据格式对IP层是透明的，传输层的首部只有在传输层才会有它的作用，IP层不知道也不需要保证在每个分片中都有传输层首部。所以，在网络上传输的数据包是有可能没有传输层首部的。需要注意的，在分片的数据中，传输层的首部只会出现在第一个分片中，如下图所示。因为传输层的数据格式对IP层是透明的，传输层的首部只有在传输层才会有它的作用，IP层不知道也不需要保证在每个分片中都有传输层首部。所以，在网络上传输的数据包是有可能没有传输层首部的。

TCP和UDP的区别

• TCP面向连接（如打电话要先拨号建立连接）;UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接

• TCP提供可靠的服务。也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达;UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付

  Tcp通过校验和，重传控制，序号标识，滑动窗口、确认应答实现可靠传输。如丢包时的重发控制，还可以对次序乱掉的分包进行顺序控制。

• UDP具有较好的实时性，工作效率比TCP高，适用于对高速传输和实时性有较高的通信或广播通信。

• 每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信

• TCP对系统资源要求较多，UDP对系统资源要求较少。

为什么UDP有时比TCP更有优势?

UDP以其简单、传输快的优势，在越来越多场景下取代了TCP,如实时游戏。

• 网速的提升给UDP的稳定性提供可靠网络保障，丢包率很低，如果使用应用层重传，能够确保传输的可靠性。

• TCP为了实现网络通信的可靠性，使用了复杂的拥塞控制算法，建立了繁琐的握手过程，由于TCP内置的系统协议栈中，极难对其进行改进。

采用TCP，一旦发生丢包，TCP会将后续的包缓存起来，等前面的包重传并接收到后再继续发送，延时会越来越大，基于UDP对实时性要求较为严格的情况下，采用自定义重传机制，能够把丢包产生的延迟降到最低，尽量减少网络问题对游戏性造成影响。