计算机网络（八）：传输层与用户数据报协议——UDP
一、传输层
传输层位于网络层和应用层之间。传输层负责向应用层提供服务，接收来自网络层的服务。
- 传输层的基本功能
传输层协议的首要任务是提供进程到进程通信。其根本目的在于在网络层提供的数据通信服务基础上，实现主机进程间可靠服务。 - 传输层与应用层、网络层之间的关系
传输层与应用层、网络层之前的关系以及报文格式如下图所示。
- 网络环境中的应用进程标识
传输层进程寻址是通过TCP/UDP端口号实现的。而进程标识可以通过三元组结构进行标识。
三元组结构：协议、本地地址、本地端口号。示意图如下所示。
网络环境中的进程通信要涉及两个不同主机的进程，因此一个完整的进程通信标识需要一个五元组标识：协议、本地地址、本地端口号、远程地址、远程端口号。 - TCP/UDP协议与应用层协议的关系
传输层协议TCP/UDP协议与应用层协议关系如下图所示。
二、用户数据报协议——UDP
用户数据报协议——UDP的主要原则是协议简洁、运行快捷，它是一种基于不可靠的数据传输，因此它只能适用于高可靠、低延迟的局域网上运行。UDP提供了进程到进程之间的通信。
- UDP协议的主要特点
UDP是一种无连接、不可靠的传输协议
UDP协议在传输文件之前不需要在通信双方之间建立连接，因此减少了协议开销和传输延时。UDP对报文除了提供一种可选的校验和之外，几乎没有其他保证数据传输可靠性的措施。如果UDP检测出在收到的分组中有差错，丢弃这个分组，不通知发送方重传，因此UDP协议提供的是“尽力而为”的传输服务。
UDP是一种面向报文的传输层协议
如下图所示为UDP对应用程序提交的数据处理方式示意图。UDP对应用程序提交的报文既不合并也不拆分，而是保留原报文的长度和格式。因此使用UDP协议时，应用程序必须选择合适长度的报文。
如果应用程序提交的报文太短，则协议开销相对较大；如果提交报文太长，则UDP向IP层提交的TPDU可能在IP层被分段，会减低协议的效率。
- 用户数据报（UDP分组）格式
如下图所示为UDP分组即用户数据报的格式。其中有8字节的固定头部，由4个字段组成，前两个字段定义了源和目的端口号，第三个字段定义了用户数据报的总长，即头部加数据的长度，最后一个字段为可选校验和。
- UDP校验
UDP提供的服务是进程到进程的通信，并且是一种无连接的服务。在UDP中，其没有流量控制，也没有窗口机制，除了校验和之外UDP也没有差错控制机制，不提供拥塞控制。（流量控制、窗口机制、差错控制以及拥塞控制机制在后续的笔记：计算机网络（十）：传输层之TCP（中）以及计算机网络（十一）：传输层之TCP（下）中有详细的介绍）
UDP的校验和包含三个部分：伪报头、UDP头部以及应用层数据。
伪报头结构如下图所示。
需要注意的是，伪报头中的UDP总长度与UDP头部中的UDP总长度是一致的。另外，伪报头并不进行传输，而是发送方和接收方计算校验和的时候添加上的信息而已。 - 校验和的计算
UDP分组的发送方可以选择不计算校验和，这种情况下，在发送前校验和字段全填入0。在发送方决定计算校验和的情况下，如果碰巧结果全是0，那么在发送前校验和全改为1。换而言之，发送方填充两次校验和。
发送方计算校验和的一个例子如下。
校验和的计算，一开始将校验和填充为0，并且对于数据不是32位整除的进行0填充。此外进行二进制求和的时候，产生的进位加到下一列，如果最高位相加后产生进位，则最后结果加1，即进位加到最后一列。
对于接收方，在添加伪报头之后进行校验和计算，若计算结果为全0，那么说明数据传输正确，丢弃伪报头和任何填充，并接收已经经过校验正确的UDP数据报；否则丢弃数据报。
参考资料：《计算机网络教程：自顶向下方法》
《计算机网络与下一代互联网》