UDP

真题练习

需要关注下 UDP 的首部字段、校验方法和应用场景，可能会在选择题考查。

UDP 数据报

UDP（User Datagram Protocol）首部的长度固定为 8 个字节（64 位），不论 UDP 携带的数据量大小如何，其首部都保持不变。UDP 首部的各个字段如下：

• 源端口（Source Port）：占用 2 个字节（16 位），用于标识发送方应用程序的端口号。
• 目标端口（Destination Port）：占用 2 个字节（16 位），用于标识接收方应用程序的端口号。
• 长度（Length）：占用 2 个字节（16 位），指示 UDP 数据报的总长度，包括首部和数据。因此，最小长度为 8 字节。
• 校验和（Checksum）：占用 2 个字节（16 位），用于检测 UDP 数据报在传输过程中是否受到损坏。

当传输层从 IP 层收到 UDP 数据报时，就根据首部中的 目的端口，把 UDP 数据报通过相应的端口，上交最后的终点——应用进程，如下图所示：

若接收方 UDP 发现收到的报文中的 目的端口号 不正确（即不存在对应于端口号的应用进程），则就丢弃该报文，并由 ICMP 发送“端口不可达”差错报文给发送方。

UDP 校验

UDP 的 校验和（checksum）用于检测数据在传输过程中是否发生错误。它覆盖 UDP 头部、数据部分以及部分 IP 头部信息（伪头部），确保数据的完整性。

这种简单的差错检验方法的校错能力并不强，但它的好处是 简单、处理速度快。

发送端

UDP 的发送方需要计算 checksum 字段的值，并且填充进 UDP 首部相应字段中。发送方计算 checksum 包含 构造伪首部、组合校验数据、计算 16 位和、按位取反 四个步骤。

1. 构造伪头部：为了确保源和目的地址的正确性，UDP 校验和包含一个 伪头部（不实际传输，仅用于计算）。伪头部包括：
   • 源 IP 地址（32 位，IPv4）
   • 目的 IP 地址（32 位，IPv4）
   • 协议字段（8 位，UDP 为 17）
   • UDP 长度（16 位，UDP 头部 + 数据的总字节数）
   • 填充位（8 位，通常为 0，确保伪头部长度为 12 字节）
2. 组合校验数据：将以下内容按 16 位分组
   • 伪头部
   • UDP 头部（包括源端口、目的端口、长度、校验和字段，校验和字段初始置 0）
   • 数据部分（若数据长度为奇数字节，末尾补 0 凑成 16 位）
3. 计算 16 位和
   • 将所有 16 位数逐一相加，记录进位。
   • 如果有进位（和超过 16 位），将进位加到低 16 位（称为 回卷）。
   • 例如：若两个 16 位数相加得 1 0000 0000 0000 0001，则取低 16 位 0000 0000 0000 0001 并加 1，得 0000 0000 0000 0010。
4. 按位取反
   • 对最终的 16 位和按位取反（0 变 1，1 变 0），得到 校验和。
   • 将此 校验和 填入 UDP 头部的校验和字段。
5. 特殊情况
   • 如果 校验和 计算结果为全 0，则发送 1111 1111 1111 1111（全 1），以避免与“校验和禁用”（全 0）混淆。
   • 在 IPv4 中 UDP 校验和可选，若不使用就把字段置为全 0；在 IPv6 中 UDP 校验和通常是必需的，不能把全 0 当作一般的“禁用校验”。

注意

1. 检验时，若 UDP 数据报部分的长度不是偶数个字节，则需填入一个全 0 字节进行填充

2. 若 UDP 校验和检验失败，接收端应丢弃该数据报；UDP 不负责重传。不要把损坏数据当作普通有效报文交付给应用。

3. 计算 16 位和的过程中，如果有进位，不要忘记“回卷”。

接收端

接收端通过以下步骤验证数据完整性：

1. 提取校验数据：接收端同样构造 伪头部（使用接收到的 IP 头部信息），并提取 伪首部、UDP 首部（包括接收到的校验和）、数据部分。
2. 计算 16 位和：将所有 16 位数（包括接收到的校验和）相加，记录并回卷进位。如果数据无误，和的结果应为 1111 1111 1111 1111（全 1）。
3. 验证结果
   • 如果最终反码和为全 1，表示 校验通过、未检测到差错；校验和不能证明绝对无错。
   • 如果和不为全 1，说明数据在传输中发生错误，接收端通常丢弃该数据报（UDP 不负责重传）。
4. 处理特殊情况
   • IPv4 UDP 若收到校验和全 0，表示发送端禁用了校验；IPv6 UDP 通常不允许这样解释。
   • 如果校验和为全 1，需按上述步骤验证。

实例

假设我们要发送一个 UDP 数据报，相关信息如下：

• 源 IP 地址：192.168.1.1（二进制：11000000 10101000 00000001 00000001）
• 目的 IP 地址：192.168.1.2（二进制：11000000 10101000 00000001 00000010）
• 源端口：1024（二进制：00000100 00000000）
• 目的端口：2048（二进制：00001000 00000000）
• 数据：0x48656C（3 字节，“Hel”）

则得到 16 位组合数据和校验和计算过程如下所示：

本例 UDP 长度为 $8+3=11$ B，即 0x000B。把所有 16 位字做反码加法后，回卷和为 0x43E1，按位取反得到校验和。写入首部的值可记为 $\mathtt{checksum}=\sim\mathtt{0x43E1}=\mathtt{0xBC1E}$。

原文给出的 0x3B1F 与所列 IP、端口、长度和数据不一致；按这些字段重新核算应为 0xBC1E。接收端把所有 16 位字（包括校验和 0xBC1E）相加并回卷，结果应为 0xFFFF（全 1）。

下面的交互按 16 位字逐项加入累加器，显示每次进位回卷和最终取反；静态排列图保留作手算底稿。

UDP 特点

• 无连接性：UDP 是一种 无连接 的协议，这意味着在发送数据之前，发送方和接收方之间不建立连接。每个 UDP 数据报都是独立的，没有先后顺序的要求。
• 轻量级：UDP 非常 轻量级，因为它不涉及连接建立和维护，也不包括复杂的拥塞控制算法。这使得 UDP 非常适用于 低延迟 和 高吞吐量 的应用。
• 无序性：UDP 数据报在传输过程中 不保持顺序。这意味着发送方发送的多个 UDP 数据报可能以不同的顺序到达接收方，并且接收方需要自行处理数据的顺序问题。
• 不可靠性：UDP 不提供可靠性。它不保证数据的传输成功，也不负责重新发送丢失的数据。如果数据在传输过程中丢失或损坏，接收方将不会收到任何通知，并且需要根据应用程序的要求自行处理这些问题。
• 广播和多播：UDP 支持 广播和多播，允许一个 UDP 数据报同时发送到多个接收方。

应用场景

UDP 常用于 一次性传输较少数据 的网络应用，如 DNS、SNMP 等，因为对于这些应用，若采用 TCP，则将为连接创建、维护和拆除带来不小的开销。

UDP 也常用于 对延迟敏感 的多媒体应用（如 电子游戏、实时视频会议、流媒体 等），显然，可靠数据传输对这些应用来说并不是最重要的，但 TCP 的拥塞控制会导致数据出现较大的延迟，这是它们不可容忍的。

UDP 不保证可靠交付，但这并不意味着应用对数据的要求是不可靠的，所有维护可靠性的工作可由用户在 应用层 来完成。应用开发者可根据应用的需求来灵活设计自己的可靠性机制。

例如 HTTP/3 使用的 QUIC 就构建在 UDP 之上，并在用户空间实现可靠传输、拥塞控制、加密和多路复用；这说明“UDP 不保证可靠”不等于“基于 UDP 的应用一定不可靠”。