TCP/IP详解读书笔记（第11章 UDP：用户数据报协议）

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，并组装成一份待发送的IP数据报。UDP不提供可靠性：它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。UDP数据报封装格式如图1所示。

图1：UDP数据报封装格式

UDP首部

UDP首部的各字段如图2所示。

图2：UDP首部格式

端口号表示发送进程和接收进程。UDP长度字段指的是UDP首部和UDP数据的字节长度。该字段的最小值为8字节（发送一份0字节的UDP数据报是OK）。这个UDP长度是有冗余的。IP数据报长度指的是数据报全长，因此UDP数据报长度是全长减去IP首部的长度。

UDP检验和

UDP检验和覆盖UDP首部和UDP数据。回想IP首部的检验和，它只覆盖IP的首部，并不覆盖IP数据报中的任何数据。UDP的检验和是可选的，它是一个端到端的检验和。它由发送端计算，然后由接收端验证。其目的是为了发现UDP首部和数据在发送端到接收端之间发生的任何改动。

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层接收到一份要发送的IP数据报时，它要判断向本地哪个接口发送数据（选路），并查询该接口获得其MTU。IP把MTU与数据报长度进行比较，如果需要则进行分片。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。

把一份IP数据报分片以后，只有到达目的地才进行重新组装（这里的重新组装与其他网络协议不同，它们要求在下一站就进行进行重新组装，而不是在最终的目的地）。重新组装由目的端的IP层来完成，其目的是使分片和重新组装过程对运输层（ TCP和UDP）是透明的，除了某些可能的越级操作外。已经分片过的数据报有可能会再次进行分片（可能不止一次）。IP首部中包含的数据为分片和重新组装提供了足够的信息。

使用UDP很容易导致IP分片，图3为使用UDP时的IP分片示意图。

图3：UDP分片示意图

最大UDP数据报长度

理论上，IP数据报的最大长度是65535字节，这是由IP首部16比特总长度字段所限制的。去除20字节的IP首部和8个字节的UDP首部，UDP数据报中用户数据的最长长度为65507字节。但是，大多数实现所提供的长度比这个最大值小。

第一，应用程序可能会受到其程序接口的限制。socket API提供了一个可供应用程序调用的函数，以设置接收和发送缓存的长度。对于UDP socket，这个长度与应用程序可以读写的最大UDP数据报的长度直接相关。现在的大部分系统都默认提供了可读写大于8192字节的UDP数据报（使用这个默认值是因为8192是NFS读写用户数据数的默认值）。

第二个限制来自于TCP/IP的内核实现。可能存在一些实现特性（或差错），使IP数据报长度小于65535字节。

UDP服务器的设计

典型的服务器与操作系统进行交互作用，而且大多数需要同时处理多个客户，通常一个客户启动后直接与单个服务器通信，然后就结束了。而对于服务器来说，它启动后处于休眠状态，等待客户请求的到来。对于UDP来说，当客户数据报到达时，服务器苏醒过来，数据报中可能包含来自客户的某种形式的请求消息。

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。当一个应用程序接收到UDP数据报时，操作系统必须告诉它是谁发送了这份消息，即源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。给每个发送请求的客户发回应答。

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。

3. UDP输入队列

通常程序所使用的每个UDP端口都与一个有限大小的输入队列相联系。这意味着，来自不同客户的差不多同时到达的请求将由UDP自动排队。接收到的UDP数据报以其接收顺序交给应用程序（在应用程序要求交送下一个数据报时）。

然而，排队溢出造成内核中的U D P模块丢弃数据报的可能性是存在的。

4. 端口复用

       每个服务器具有不同的本地I P地址，有可能在相同的端口上启动不同的服务器，使用sockets API时，必须指定SO_REUSEADDR socket选项。