【TCP/IP详解 卷一：协议】第十一章 UDP 用户数据报协议

11.1 引言

UDP 是一个简单的 面向数据报 的运输层协议：进程的每个 输出操作 都正好产生一个 UDP数据报，并且组装成一份待发送的IP数据报。
这与 TCP 不一样，它是 面向流字符 的协议，应用层程序 产生的全体数据 与 真正发送的单个IP数据报 可能没有联系。

UDP协议并不提供超时重传，出错重传等功能，也就是说其是 不可靠(unreliable)的协议。
UDP 把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不能保证它们都能到达目的地。

应用程序必须关心 IP数据报 的长度。如果它超过网络的MTU(最大传输单元)，那么就要对 IP数据报 进行分片。路径MTU：两台主机之间的路径中 最小的MTU。

11.2 UDP首部

该部分参考资料：详解学习笔记 UDP

UDP首部：

端口号表示 发送进程 和 接收进程。
这里教材讲的不清不楚的。引用一段别人所写的博客。

由于很多软件需要用到UDP协议，所以UDP协议必须通过某个标志用以区分不同的程序所需要的数据包。端口号的功能就在于此，例如某一个UDP程序A在系统中注册了3000端口，那么，以后从外面传进来的目的端口号为3000的UDP包都会交给该程序。端口号理论上可以有2^16这么多。因为它的长度是16个bit。

TCP/IP协议族中用端口号来标识进程；
端口号 是在 0 到 65535 之间的 整数；
客户程序 随机选取的 临时端口号；
每一种服务器程序 被分配了 确定的全局一致的 熟知端口号；
每一个客户进程 都知道 相应的服务器进程的 熟知端口号。

也就是说，根据端口号，可以知道它所代表的是哪一个进程。
在之前的内容里面，有介绍 TCP 和 UDP 通过 目的端口号 来 分用 来自IP层的数据 的过程。由于IP层 已经把 IP数据报 分配给了 TCP 或者是 UDP(通过 IP数据报 的 协议字段，TCP值为3，UDP值为4)，所以 TCP端口号 由 TCP 查看，UDP端口号 由 UDP 查看。

UDP数据报 长度字段 指的是 UDP首部 和 UDP数据 的字节长度，而 IP数据报 长度字段指的是数据报全长。那么 UDP数据报 长度字段 的值 = IP数据报 长度字段 的值 - IP数据报首部 的长度。

11.3 UDP 检验和：保证数据的完整性

该部分参考资料：UDP协议及包格式

UDP 检验和的 目的：保证数据的完整性。

UDP 检验和 覆盖 UDP首部 和 UDP数据，而 IP 检验和只覆盖首部，并不覆盖任何数据。
TCP 和 UDP 都有检验和，UDP是可选的，而TCP是必需的。
UDP 检验和的求法利用了和 IP 检验和 求法类似的 16bit 的 二进制反码求和。但是有不同的地方。

检验和求法 不同之一：填充字段

UDP 数据报的长度可以是奇数字节，但 检验和算法 是把 若干个16 bit字相加。
解决方法是：在最后增加填充字节0。这只是为了 检验和的计算(也就是说，这些可能增加的 填充字节 不会被传送)。

检验和求法 不同之二：伪首部

为了 计算检验和 而在 UDP数据报和TCP段 设置一个十二字节长的 伪首部。

伪首部 包含 IP首部的一些字段：32位源IP地址，32位目的IP地址，8位协议字段。目的是让 UDP 两次检测数据是否已经准确到达目的地。没有准确到达目的地，比如 IP没有接受地址不是本机的数据报，以及 IP 没有把 应该 传给另一高层的数据报 传输给UDP。

如果 发送端 没有计算检验和(传送的检验和为0)，而接收端 检测到检验和有差错，UDP数据报就会被悄悄的丢弃，不产生任何差错报文。

总而言之，UDP 在 完成进程 到 进程的通信 中 提供了 有限的差错检验功能。

11.5 IP分片

物理网络层一般要限制每次发送数据帧的最大长度，任何时候 IP层 接收到一份 待发送的 IP数据报 的时候，它要判断向本地哪个接口发送数据(选路)，并查询该接口获得MTU。IP 比较 MTU 和 数据报长度，如果需要的话(数据报长度 > MTU)，则进行 IP分片。
分片 可以发生在 原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上面。

把 IP数据报 分片之后，只有 到达目的地 才重新组装。
重新组装 由 目的端的IP层 进行，目的：让分片和重新组装的过程 对 运输层(TCP/UDP) 透明。IP首部中包含的数据为 重新组装 提供信息。

分片之后的数据报可能再进行分片。分片之后 每一片都是一个 分组，具有自己的 IP首部。

回忆 IP首部

IP首部 中用于 分片和重组 的部分：

• 标识字段
• 标志字段
• 片偏移字段

标识字段：16bit，对于发送端发送的每一个IP数据报来说，这个标识字段有一个唯一值，也就是说，标识字段是用于区分数据报的。
在数据报分片的时候，被复制到每个片中。

标志字段：很重要，有3bit。

• 一位无效位
• 一位表示 是否有更多的片(MF, More Fragment)，除了最后一片(MF = 0)之外，其余片 值均为1(MF = 1 代表后面还有片)。让接收端知道什么时候完成分片组装。
• DF (Don't Fragment)，表示无法分片。

片偏移字段：说明了在原来的数据报中的相对位置。

回到IP分片

IP分片 过程看起来是透明的，但是：即使只丢失一片数据报的分片，也要重传一整个数据报。没有办法只重传数据报中的某一个数据报片。
原因是：IP层没有超时重传机制，由更高层负责超时重传(TCP有，UDP没有，但是 UDP的一些应用程序 本身也执行 超时和重传)。TCP在超时之后，会重新发送整个TCP报文段，对应于一个IP数据报。
起始端系统不清楚IP报文是怎么被分片的。

在分片时，除了最后一片，其他每一片的数据部分 都是 8字节 的整数倍。

术语的解释

IP数据报 指的是 端对端 的传输单元(分片之前，重新组装之后)。
分组 指的是 在 IP层 和 数据链路层 之间传送的数据单元。

分组 可以是 一个完整的IP数据报，也可以是IP数据报的一个分片。

ICMP不可达差错(需要分片)

发送 ICMP不可达差错报文 的另外一种情况是：当路由器收到一份需要分片的数据报，而在 IP数据报的首部 又设置了 DF(不分片) 的标志比特。
可以利用这个报文(含下一站网络的MTU) 判断到达目的端的路径MTU(最小MTU)，称作 路径MTU发现机制。

如果路由器没有提供这种ICMP差错报文格式，则把下一站的MTU设为0。

在点对点链路中，不要求两个方向上的MTU为相同值。

11.7 利用Traceroute 确定路径MTU

Traceroute 所要做的：发送分组，设置“不分片”标志比特。Traceroute 程序本身也是利用 IP数据报 中的TTL字段。

11.9 UDP 和 ARP 之间的交互作用

使用 UDP，可以看到 UDP 和 ARP 典型实现之间的有趣的(但常常未被提交的)交互作用。
假定此时主机的 ARP缓存是清空的，那么在发送第一个数据报片的时候，就必须交换 ARP请求 和 应答。
那么此时就提出了两个问题：

• 在接收到应答之前，其余数据报是否做好了发送准备？
• 如果做好了发送准备，那么在等待的过程中，它会如何处理发送往给定目的地的多个报文？

产生结果是令人吃惊的，首先在第一个ARP应答返回之前，产生了六个ARP请求，其原因是 IP很快产生了六个IP数据报片，而每个数据报片生成了一个 ARP请求。
第二，在收到第一个 ARP应答 的时候，只将最后一个 IP数据报片 发送给目的端。

这种情况，称为 ARP洪泛。即以 高速率重复 发送到 同一个IP地址 的 ARP请求。
ARP 应该保留至少一个报文，而这个报文必须是最后一个报文。

当第一个到达的数据报片 出现的时候，目的端 IP层 必须启动一个计时器，值为30s或者60s，如果超时，且所有数据报片没有全部到达(没有出现 MF = 0 的数据报片)，则将这些报片全部丢弃。否则会引起接收端缓存满。
如果按照上面的情况丢弃数据报，没有ICMP消息的产生。这是因为 并未接收到 包含UDP首部的 偏移量为0 的第一个数据报片(注意区别 第一个 和 第一个到达的)，除非接收到，否则不要求产生任何ICMP报文。
这样的话，上层：TCP或者UDP的应用程序，最终会超时重传。

11.10 最大UDP数据报长度

UDP数据报 中用户数据的最大长度：65507字节。
限制因素：

• 应用程序受到其端口的限制。
• TCP/IP 内核实现，导致实现特性(或者差错)，使IP数据报 小于65535字节。

数据报截断

IP能够发送或者接收特定长度的数据报，并不意味着，接收应用程序也可以读取该长度的数据。
UDP 接口允许应用程序指定每次返回的最大字节数。但是 如何解决 接收到 的数据报长度 大于 应用程序所能处理的长度？取决于 编程接口和实现。

11.11 ICMP源站抑制错误

使用UDP 可以产生 ICMP 源站抑制 错误。
当一个接收端(系统) 接收数据报的速度 >>(远大于) 处理速度 的时候，缓存很容易用完。这个时候就 可能 产生这个错误 (注意可能，即使缓存已满丢弃了部分数据报，也并不要求这样做):

别再发送啦，我快受不了了！！

11.12 UDP服务器的设计

客户端的设计和实现 比 服务端的要轻松很多。服务器端需要与操作系统进行交互作用，而且大多数情况下，需要处理多个用户。
服务器启动之后处于休眠状态，等待客户请求的到来。
大多数 UDP服务器，是重复型服务器。(参见第一章)

11.12.1 客户IP地址 及 端口号

来自客户的 是 UDP数据报。IP首部包含源端和目的端IP地址。UDP首部包含了源端和目的端的UDP端口号(用于 分用)。当应用程序接收到 UDP数据报 的时候，操作系统必须告诉它是谁发送的消息(即告诉 源端IP地址 和端口号)。
这个特性允许一个 交互UDP服务器对多个客户进行处理，并发送应答。

11.12.2 目的IP地址

一些应用程序需要知道 数据报 是发送给谁的，即目的IP地址。如果目的IP地址是广播地址，则自动忽略。
这要求操作系统 告诉应用程序 目的IP地址。

11.12.3 UDP输入队列

大多数UDP服务器 是 重复型服务器。这意味着 单个服务器 在 单个UDP端口上 处理 所有的请求。UDP将所有请求自动排队，将以接收顺序传给输入端。UDP输出队列 是 FIFO的(先进先出)。排队溢出造成的数据报丢失是可能存在的。

2016/8/4