详解UDP协议

UDP是一种无连接的、简单的传输层协议，UDP协议的设计目的是提供一种简单、轻量级的通信机制，适用于那些对实时性和传输效率有较高要求，但对数据完整性和可靠性要求相对较低的应用。

UDP协议报头

UDP协议的报头部分由四部分组成：源端口号，目的端口号，UDP长度，校验和。

• 源端口号：识别发送方的端口号。
• 目的端口号：识别接收方的端口号。
• 长度：指定UDP数据报的长度，包括UDP头部和UDP数据的总长度。
• 校验和：检测头部、数据以及可能的填充字节在传输过程中的错误。

在这里可能会有读者有疑问为什么只有源端口号与目的端口号，没有源IP地址与目的IP地址（IP地址负责在网络中标识唯一主机，而端口号负责在主机上标识进程），UDP协议是传输层协议，UDP协议运行在IP协议上，IP协议负责在不同网络设备之间传输数据包。所以IP地址是在网络层即IP协议所在层添加的。

校验和

校验和用来检测数据在传输过程中是否发生错误。

校验和的计算

UDP/TCP协议会准备一个伪头部，它并不实际包含在数据包中，而是为了计算校验和而构造的一组虚拟的头部信息。伪头部的结构如下：

• 源IP地址：发送方的IP地址，4字节。
• 目的IP地址：接收方的IP地址，4字节。
• 保留字段：通常设置为0，8字节（64位）。
• 协议：指出上层协议的类型，1字节。对于UDP，这个值是17。对于TCP，这个值是6。
• UDP或TCP长度：UDP或TCP数据包的长度，包括UDP或TCP头部和数据，2字节。

之后会将伪头部、UDP/TCP头部（校验和字段被设置为0）和数据载荷连续拼接成一个数据块。 

整个数据块的长度需要是16位（2字节）的整数倍。如果不是，需要后面添加零，直到满足条件。

接下来就是校验和的计算：

• 将数据块分成16位的分组。
• 对每个16位分组进行二进制加法。
• 如果加法结果超过16位，将进位加到下一个分组的最低位。
• 对所有分组进行此操作。

计算出最终结果后会对结果进行按位取反，然后填充到报头校验和字段。 

校验和的检查

接收方获取了数据报后，会重新按照上面的方法计算校验和。如果两者相等，则证明数据完整，否则，说明数据在传输过程中损坏，会将报文直接丢弃。

注意：UDP的校验和是可选的，如果发送方没有计算校验和，字段会被设置为0。接收方在处理UDP数据包时，如果发现校验和字段为0，会忽略校验和的检查。

面向数据报

UDP是一种面向数据报的协议，它按照独立的数据块（即数据报）发送和接收信息。

简而言之，应用层交给UDP多长的报文, UDP原样发送, 既不会拆分, 也不会合并。用UDP传输100个字节的数据:

如果发送端调用一次sendto，发送100个字节， 那么接收端也必须调用对应的一次recvfrom，接收100个字节。 而不能循环调用10次recvfrom， 每次接收10个字节。

基于面向数据报的特点使UDP有以下特性：

• UDP不建立持久的连接。发送方和接收方之间的通信不需要预先建立连接，每个数据报的发送和接收都是独立于其他数据报的。
• UDP协议也不保证数据报的顺序。如果多个数据报同时发送，它们可能因为网络条件的差异而以不同的顺序到达目的地。
• UDP不保证数据报的传输。数据报可能会在传输过程中丢失、重复或损坏，UDP协议本身不提供重传机制。

UDP的面向数据报的特性使其非常适合那些需要快速、简单传输的场景，如网络直播，实时游戏等。

缓冲区

发送缓冲区

UDP实际上没有真正意义上的发送缓冲区，在发送数据时会直接交付内核完成发送，这是因为UDP的特性，不需要保证可靠性，因此不需要重传，也就不需要使用发送缓冲区暂存数据。

在我们介绍TCP协议时会详细介绍TCP的发送缓冲区，以及其如何保证可靠性。

接收缓冲区

每个UDP套接字都存在一个接收缓冲区，在接收到UDP报文后会暂存在接收缓冲区，等待上层读取。在缓冲区满的情况下，接收到的报文会被直接丢弃。

UDP优缺点

优点：

• 简单性：UDP的协议栈比TCP简单，因为它不需要建立连接、维护状态或重传丢失的数据包。

• 低延迟：由于UDP不需要建立连接和确认数据包，它可以提供较低的延迟。

• 资源消耗少：UDP不需要维护连接状态，因此它消耗的资源比TCP少。

• 无需拥塞控制：UDP不进行拥塞控制，不会因为网络拥塞而降低发送速率。

• 适用性：UDP适用于那些对数据传输速度要求高但可以容忍一定数据丢失的应用，如流媒体和实时通信。

缺点：

• 不可靠性：UDP不保证数据包的送达，可能会发生数据丢失、重复或乱序到达。

• 缺乏流量控制：UDP不提供流量控制机制，会导致接收方因为数据包到达速度过快而无法处理。

• 无拥塞控制：由于UDP不进行拥塞控制，它可能会在网络拥塞时加剧网络拥塞。

• 不适合大文件传输：对于需要可靠传输的大文件，UDP不是最佳选择，因为其不保证数据的完整性和顺序。

• 需要应用层处理：由于UDP提供的是无连接服务，所有与连接相关的处理（如重传、排序）都需要在应用层实现。