TCP/IP詳解讀書筆記（第11章 UDP：用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）

UDP是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的運輸層協(xié)議：進(jìn)程的每個輸出操作都正好產(chǎn)生一個UDP數(shù)據(jù)報，并組裝成一份待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報。UDP不提供可靠性：它把應(yīng)用程序傳給IP層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達(dá)目的地。UDP數(shù)據(jù)報封裝格式如圖1所示。

圖1：UDP數(shù)據(jù)報封裝格式

UDP首部

UDP首部的各字段如圖2所示。

圖2：UDP首部格式

端口號表示發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程。UDP長度字段指的是UDP首部和UDP數(shù)據(jù)的字節(jié)長度。該字段的最小值為8字節(jié)（發(fā)送一份0字節(jié)的UDP數(shù)據(jù)報是OK）。這個UDP長度是有冗余的。IP數(shù)據(jù)報長度指的是數(shù)據(jù)報全長，因此UDP數(shù)據(jù)報長度是全長減去IP首部的長度。

UDP檢驗和

UDP檢驗和覆蓋UDP首部和UDP數(shù)據(jù)。回想IP首部的檢驗和，它只覆蓋IP的首部，并不覆蓋IP數(shù)據(jù)報中的任何數(shù)據(jù)。UDP的檢驗和是可選的，它是一個端到端的檢驗和。它由發(fā)送端計算，然后由接收端驗證。其目的是為了發(fā)現(xiàn)UDP首部和數(shù)據(jù)在發(fā)送端到接收端之間發(fā)生的任何改動。

IP分片

物理網(wǎng)絡(luò)層一般要限制每次發(fā)送數(shù)據(jù)幀的最大長度。任何時候IP層接收到一份要發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報時，它要判斷向本地哪個接口發(fā)送數(shù)據(jù)（選路），并查詢該接口獲得其MTU。IP把MTU與數(shù)據(jù)報長度進(jìn)行比較，如果需要則進(jìn)行分片。分片可以發(fā)生在原始發(fā)送端主機上，也可以發(fā)生在中間路由器上。

把一份IP數(shù)據(jù)報分片以后，只有到達(dá)目的地才進(jìn)行重新組裝（這里的重新組裝與其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同，它們要求在下一站就進(jìn)行進(jìn)行重新組裝，而不是在最終的目的地）。重新組裝由目的端的IP層來完成，其目的是使分片和重新組裝過程對運輸層（ TCP和UDP）是透明的，除了某些可能的越級操作外。已經(jīng)分片過的數(shù)據(jù)報有可能會再次進(jìn)行分片（可能不止一次）。IP首部中包含的數(shù)據(jù)為分片和重新組裝提供了足夠的信息。

使用UDP很容易導(dǎo)致IP分片，圖3為使用UDP時的IP分片示意圖。

圖3：UDP分片示意圖

最大UDP數(shù)據(jù)報長度

理論上，IP數(shù)據(jù)報的最大長度是65535字節(jié)，這是由IP首部16比特總長度字段所限制的。去除20字節(jié)的IP首部和8個字節(jié)的UDP首部，UDP數(shù)據(jù)報中用戶數(shù)據(jù)的最長長度為65507字節(jié)。但是，大多數(shù)實現(xiàn)所提供的長度比這個最大值小。

第一，應(yīng)用程序可能會受到其程序接口的限制。socket API提供了一個可供應(yīng)用程序調(diào)用的函數(shù)，以設(shè)置接收和發(fā)送緩存的長度。對于UDP socket，這個長度與應(yīng)用程序可以讀寫的最大UDP數(shù)據(jù)報的長度直接相關(guān)。現(xiàn)在的大部分系統(tǒng)都默認(rèn)提供了可讀寫大于8192字節(jié)的UDP數(shù)據(jù)報（使用這個默認(rèn)值是因為8192是NFS讀寫用戶數(shù)據(jù)數(shù)的默認(rèn)值）。

第二個限制來自于TCP/IP的內(nèi)核實現(xiàn)。可能存在一些實現(xiàn)特性（或差錯），使IP數(shù)據(jù)報長度小于65535字節(jié)。

UDP服務(wù)器的設(shè)計

典型的服務(wù)器與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互作用，而且大多數(shù)需要同時處理多個客戶，通常一個客戶啟動后直接與單個服務(wù)器通信，然后就結(jié)束了。而對于服務(wù)器來說，它啟動后處于休眠狀態(tài)，等待客戶請求的到來。對于UDP來說，當(dāng)客戶數(shù)據(jù)報到達(dá)時，服務(wù)器蘇醒過來，數(shù)據(jù)報中可能包含來自客戶的某種形式的請求消息。

1. 客戶IP地址及端口號

來自客戶的是UDP數(shù)據(jù)報。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端口號。當(dāng)一個應(yīng)用程序接收到UDP數(shù)據(jù)報時，操作系統(tǒng)必須告訴它是誰發(fā)送了這份消息，即源IP地址和端口號。這個特性允許一個交互UDP服務(wù)器對多個客戶進(jìn)行處理。給每個發(fā)送請求的客戶發(fā)回應(yīng)答。

2. 目的IP地址

一些應(yīng)用程序需要知道數(shù)據(jù)報是發(fā)送給誰的，即目的IP地址。

3. UDP輸入隊列

通常程序所使用的每個UDP端口都與一個有限大小的輸入隊列相聯(lián)系。這意味著，來自不同客戶的差不多同時到達(dá)的請求將由UDP自動排隊。接收到的UDP數(shù)據(jù)報以其接收順序交給應(yīng)用程序（在應(yīng)用程序要求交送下一個數(shù)據(jù)報時）。

然而，排隊溢出造成內(nèi)核中的U D P模塊丟棄數(shù)據(jù)報的可能性是存在的。

4. 端口復(fù)用

       每個服務(wù)器具有不同的本地I P地址，有可能在相同的端口上啟動不同的服務(wù)器，使用sockets API時，必須指定SO_REUSEADDR socket選項。