源地址目的地址 0 协议 UDP 长度 UDP 源端口号目标端口号数据报长度校验值 UDP 协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道 UDP 和 TCP 协议正是采用这一机制实现对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的支持数据发送一方 ( 可以

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乙偿平
7 years ago
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1 1 UDP 协议的简介 UDP 协议是 User Datagram Protocol 的简称, 中文名是用户数据包协议, 是 OSI 参考模型中一种无连接的传输层协议, 提供面向事务的简单不可靠信息传送服务在网络中它与 TCP 协议一样用于处理 UDP 数据包在 OSI 模型中, 在第四层传输层, 处于 IP 协议的上一层 UDP 有不提供数据包分组组装和不能对数据包进行排序的缺点, 也就是说, 当报文发送之后, 是无法得知其是否安全完整到达的 UDP 用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用包括网络视频会议系统在内的众多的客户 / 服务器模式的网络应用都需要使用 UDP 协议 UDP 协议从问世至今已经被使用了很多年, 虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖, 但是即使是在今天,UDP 仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议与所熟知的 TCP( 传输控制协议 ) 协议一样,UDP 协议直接位于 IP( 网际协议 ) 协议的顶层根据 OSI( 开放系统互连 ) 参考模型,UDP 和 TCP 都属于传输层协议 UDP 协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式一个典型的数据包就是一个二进制数据的传输单位每一个数据包的前 8 个字节用来包含报头信息, 剩余字节则用来包含具体的传输数据 2. 传输层协议 UDP 2.1UDP 协议报头 UDP 报头由 4 个域组成, 其中每个域各占用 2 个字节, 具体如下 :

2 源地址目的地址 0 协议 UDP 长度 UDP 源端口号目标端口号数据报长度校验值 UDP 协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道 UDP 和 TCP 协议正是采用这一机制实现对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的支持数据发送一方 ( 可以是客户端或服务器端 ) 将 UDP 数据报通过源端口发送出去, 而数据接收一方则通过目标端口接收数据有的网络应用只能使用预先为其预留或注册的静态端口 ; 而另外一些网络应用则可以使用未被注册的动态端口因为 UDP 报头使用两个字节存放端口号, 所以端口号的有效范围是从 0 到一般来说, 大于的端口号都代表动态端口数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总字节数因为报头的长度是固定的, 所以该域主要被用来计算可变长度的数据部分 ( 又称为数据负载 ) 数据报的最大长度根据操作环境的不同而各异从理论上说, 包含报头在内的数据报的最大长度为字节不过, 一些实际应用往往会限制数据报的大小, 有时会降低到 8192 字节 UDP 协议使用报头中的校验值来保证数据的安全校验值首先在数据发送方通过特殊的算法计算得出, 在传递到接收方之后, 还需要再重新计算如果某个数据报在传输过程中被第三方篡改或者由于线路噪音等原因受到损坏, 发送和接收方的校验计算值将不会相符, 由此 UDP 协议可以检测是否出错这与 TCP 协议是不同的, 后者要求必须具有校验值许多链路层协议都提供错误检查, 包括流行的以太网协议, 也许想知道为什么 UDP 也要提供检查和其原因是链路层以下的协议在源端和终端之间的某些通道可能不提供错误检测虽然 UDP 提供有错误检测, 但检测到错误时,UDP 不做

3 错误校正, 只是简单地把损坏的消息段扔掉, 或者给应用程序提供警告信息 2.2 用户数据报头格式域 : 源端口是可选域, 当其有意义时, 它指的是发送进程的端口, 这也就假定了在没有其它信息的情况下, 返回信息应该向什么地方发送如果不使用它, 则在此域中填 0 目的端口在有特定的目的网络地址时有意义长度指的是此用户数据报长度的八进制表示 ( 这表明最小的数据报长度是 8 ) 校验码有 16 位, 是对 IP 头,UDP 头和数据中信息包头的数位取反之和再取反得到的包头从概念上说是在 UDP 头信息之前的, 它包括有源地址, 目的地地址, 所使用的协议和 UDP 长度这些信息使信息不能被错误地接收这个校验过程与 TCP 中使用的过程一致如果计算出的校验码为零, 它将被全零发送全零的校验值意味着发送者未产生校验码用户接口 : 用户接口应该允许创建新的接收端口, 在接收端口的接收操作有 : 应该返回一个八进制数说明源端口和源地址, 允许数据报传送, 指定数据, 源和目标端口和目的地地址 IP 层接口 : UDP 模块必须能够决定源和目标的网络地址, 而且必须能够从包头中得知所使用的协议一个可能的接口方式是返回整个数据报, 包括接收操作返回的包头这样的接口还应该允许 UDP 向 IP 传送完整的带包头的数据报用于传送由 IP 来确定一致性并计算校验码协议应用 : 此协议的最主要的用途是网际名称服务器和小文件传输协议协议号 : 在 IP 中使用它时, 它的协议号是 17( 八进制中是 21) 2.3 UDP 信息包 UDP 信息包由 UDP 标题和数据组成 UDP 的标题结构如图所示, 它由 5 个域组成 : 源端端口 (SourcePort) 目的地端口 (DestinationPort) 用户数据包的长度 (Length) 和检查和 (Checksum) 其中, 前 4 个域组成 UDP 标题 (UDPheader),

4 每个域由 4 个字节组成 ; 检查和域占据 2 个字节, 它用来检测传输过程中是否出现了错误 ; 用户数据包的长度包括所有 5 个域的字节数 32 位源端端口目的地端口 (Source Port) (Destination Port) 用户数据包的长度 (Length) 检查和 (Checksum) 数据 (Date) UDP 信息包的标题结构检查和的详细计算可在 RFC1071 中找到, 现举一例说明使用检查和检测错误的道理例如, 假设从源端 A 要发送下列 3 个 16 位的二进制数 :word1,word2 和 word3 到终端 B, 检查和计算如下 : word1 Word Word Word Sum= Word1+ Word2+ Word 检查和 (sum 的反码 ) 从发送端发出的 4 个 (word1,2,3 以及检查和 )16 位二进制数之和为 , 如果接收端收到的这 4 个 16 位二进制数之和也是全 1, 就认为传输过程中没有出差错许多链路层协议都提供错误检查, 包括流行的以

5 太网协议, 读者也许想知道为什么 UDP 也要提供检查和其原因是链路层以下的协议在源端和终端之间的某些通道可能不提供错误检测虽然 UDP 提供有错误检测, 但检测到错误时,UDP 不做错误校正, 只是简单地把损坏的消息段扔掉, 或者给应用程序提供警告信息 2.4 UDP 的伪首部 UDP 校验和覆盖的内容超出了 UDP 数据报本身的范围为了计算校验和,UDP 把伪首部引入数据报中, 在伪首部中有一个值为 0 的填充八位组用于保证整个数据报的长度为 16 比特的整数倍, 这样才好计算校验和填充八位组和伪首部并不随着 UDP 数据报一起传输, 也不计算在数据报长度之内为了计算校验和, 要先把校验和字段置为 0, 然后对整个对象, 包括伪首部 UDP 的首部和用户数据报, 计算一个 16 比特的二进制反码和使用伪首部的目的是检验 UDP 数据报已到达正确的目的地理解伪首部的关键在于认识到 : 正确的目的地包括了特定的主机和机器上特定的协议端口 UDP 报文的首部仅仅指定了使用的协议端口号因此为了确保数据报能够正确到达目的地, 发送 UDP 数据报的机器在计算校验和时把目的机的 IP 地址和应有的数据都包括在内在最终的接收端,UDP 协议软件对校验和进行检验时要用到携带 UDP 报文的 IP 数据报首部中的 lp 地址如果校验和正确, 说明 UDP 数据报到达了正确主机的正确端口在 UDP 校验和的计算过程中用到的伪首部长度为 12 个八位组, 其结构如下图所示源 IP 地址目的 IP 地址 0 协议 UDP 长度伪首部的源 IP 地址字段和目的 IP 地址字段记录了发送 UDP 报文时使用的源 IP 地址和目的 IP 地址协议字段指明了所使用的协议类型代码 (UDP 是 17), 而长度字段是 UDP 数据报的长度接收方进行正确性验证的时候, 必须要把这些字段的信息从 IP 报文的首部中抽取出来, 以伪首部的格式进行装配, 然后再重新计算校验和

6 2.5 UDP 的封装与协议的分层在交给 IP 层之前,UDP 给用户要发送的数据加上一个首部 IP 层又给从 UDP 接收到的数据报加上一个首部最后, 网络接口层把数据报封装到一个帧里, 再进行机器之间的传送如图所示帧的结构根据底层的网络技术来确定通常网络帧结构包括一个附加的首部 UDP 首部 UDP 数据区 IP 首部 IP 数据区帧首部帧的数据区在接收端, 最底层的网络软件接收到一个分组后把它提交给上一层模块每一层都在向上送交数据之前剥去本层的首部, 因此当最高层的协议软件把数据送到相应的接收进程的时候, 所有附加的首部都被剥去了也就是说, 最外层的首部对应的是最底层的协议, 而最内层的首部对应的是最高层的协议研究首部的生成与剥除时, 可从协议的分层原则得到启发当把分层原则具体的应用于 UDP 协议时, 可以清楚地知道目的机上的由 IP 层送交 UDP 层的数据报就等同于发送机上的 UDP 层交给 IP 层的数据报同样, 接收方的 UDP 层上交给用户进程的数掘也就是发送方的用户进程送到 UDP 层的数据在多层协议之间, 职责的划分是清楚而明确的,IP 层只负责在互联网上的一对主机之间进行数据传输, 而 UDP 层只负责区分一台主机上的多个源端口或目的端口 2.6 层次的划分及 UDP 校验和的计算分层原则与 UDP 校验和的计算过程看来存在一定的冲突 UDP 校验和覆盖了一个伪首部, 而这个伪首部中包括了源 IP 地址和 FI 的 IP 地址一般情况下, 可以认为进行发送的用户必须知道目的 IP 地址, 在发送数据时把目的 IP 地址告诉了 UDP 层, 这样 UDP 层就可以直接得知目的 IP 地址, 而不必到 IP 层寻找但是, 源 IP 地址要根据 IP 层对路由的选择而定, 因为源 IP 地址会表示出数据报传输时所经过的网络接口因此, 如果不与 IP 层进行交互,UDP 层是无法得知源 IP 地址的假定 UDP 软件要求 IP 层提供源 IP 地址和目的 IP 地址, 再用这些信启去生成伪首部, 计算校验和, 丢弃伪首部, 并将 UDP 数掘报交给 IP 层传

7 输一种可选的提高软件效率的方法是让 UDP 层把 UDP 数据报封装到一个 IP 数据报中, 从 IP 层获取源地址, 把源地址和目的地址填到数据报首部中的相应字段中, 再计算 UDP 校验和, 最后把这个 IP 数据报交给 IP 层, 而 IP 层只需要填充 IP 报文首部中的其余字段 UDP 和 IP 这样密切的交互操破坏了各层的功能独立性, 明显是一种对严格的层次结构的折衷, 完全是出于实际需要之所以忽略违反分层结构的情况, 是因为几乎不可能在不指定目的机的前提下识别目的应用程序, 而且我们希望对 UDP 所使用的地址和 IP 所使用的地址进行有效的映射 2.7 UDP 的多路复用多路分解和端口协议各层的软件都要对相邻层的多个对象进行多路复用和多路分解操作 UDP 软件接收多个应用程序送来的数据报, 把它们送给 IP 层进行传输, 同时它接收从 IP 层送来的 UDP 数据报, 并把它们送给适当的应用程序 UDP 软件与应用程序之间所有的多路复用和多路分解都要通过端口机制来实现实际上, 每个应用程序在发送数据报之前必须与操作系统进行协商, 以获得协议端口和相应的端口号当指定了端口之后, 凡是利用这个端口发送数据报的应用程序都要把端口号放入 UDP 报文的源端口字段中在处理输入时,UDP 从 IP 层软件接收了传入的数据报, 根据 UDP 的目的端口号进行多路分解操作, 如下图理解 UDP 端的最简单的方式是把它看成是一个队列在大多数实现中, 当应用程序与操作系统协商, 试图使用某个给定端口时, 操作系统就创建一个内部队列来容纳收到的报文通常应用程序可以指定和修改这个队列的长度当 UDP 收到数据报时, 先检查当前使用的端口是否就是该数据报的目的端口如果不能匹配, 则发送一个 ICMP 端口不可达报文并丢弃这个数据报如果匹配, 它就把这个数据报送到相应的队列中, 等待应用程序的访问当然, 如果端口已满也会出错,UDP 也要丢弃传入的这个数据报

8 端口 1 端口 2 端口 3 UDP 基于端口的多路分解 UDP 数据报到达 IP 层 2.8 UDP 协议端口号的分配如何分配协议端口号这个问题很重要, 因为两台计算机之间在交互操作之前必须确认一个端口号, 才能保证数据报在两个进程间正常传输端 13 分配有两种基本方式一种是使用中央管理机构大家都同意让一个管理机构根据需要分配端口号, 并发布分配的所有端口号的列表所有的软件在设计时都要遵从这个列表这种方式又称为统一分配 (universal assignment), 这些被管理机构指定的端口分配又称为熟知端口分配 (well.known port assignment) 第二种端口分配方式是动态绑定在使用动态绑定时, 端口并非为所有的机器知晓当一个应用程序需要使用端 13 为了知道另 ~ 台机器上的当前端 13 号, 就必须送出一个请求报文, 然后目的主机进行回答, 把正确的端口号送回来 TCP/IP 采用一种混合方式对端口地址进行管理, 分配了某些端口号, 但为本地网点和应用程序留下了很大的端 13 取值范围已分配的端 13 号从较低的值开始, 向上扩展, 较高的值留待进行动态分配 3 UDP 协议的功能在 TCP/IP 协议族中, 用户数据报协议 UDP 提供应用程序之间传输数据报的基本机制 UDP 提供的协议端口能够区分在一台机器上运行的多个程序也就是说, 每个 UDP 报文不仅传输用户数据, 还包括目的端口号和源端口号, 这使得目的机器上的 UDP 软件能够把报文送到正确的接收进程, 而接收进程也能回送应答报文 UDP 使用底层的 Internet 协议在各机器之间传输报文, 提供和 IP 一样的不可靠无连接数据报交付服务它没有使用确认来确保报文到达, 没有对传入的报文排序, 也不提供反馈信息来控制机器之间信息流动的速度因此,UDP 报文可能会出现丢失反复或乱序到达的现象而且, 分组

9 到达的速率可能大于接收过程能够处理的速率 4 UDP 协议的几个特性 (1) UDP 是一个无连接协议, 传输数据之前源端和终端不建立连接, 当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据, 并尽可能快地把它扔到网络上在发送端,UDP 传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度计算机的能力和传输带宽的限制 ; 在接收端,UDP 把每个消息段放在队列中, 应用程序每次从队列中读一个消息段 (2) 由于传输数据不建立连接, 因此也就不需要维护连接状态, 包括收发状态等, 因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息 (3) UDP 信息包的标题很短, 只有 8 个字节, 相对于 TCP 的 20 个字节信息包的额外开销很小 (4) 吞吐量不受拥挤控制算法的调节, 只受应用软件生成数据的速率传输带宽源端和终端主机性能的限制 (5)UDP 使用尽最大努力交付, 即不保证可靠交付, 因此主机不需要维持复杂的链接状态表 ( 这里面有许多参数 ) (6)UDP 是面向报文的发送方的 UDP 对应用程序交下来的报文, 在添加首部后就向下交付给 IP 层既不拆分, 也不合并, 而是保留这些报文的边界, 因此, 应用程序需要选择合适的报文大小虽然 UDP 是一个不可靠的协议, 但它是分发信息的一个理想协议例如, 在屏幕上报告股票市场在屏幕上显示航空信息等等 UDP 也用在路由信息协议 RIP(Routing Information Protocol) 中修改路由表在这些应用场合下, 如果有一个消息丢失, 在几秒之后另一个新的消息就会替换它 UDP 广泛用在多媒体应用中, 例如,Progressive Networks 公司开发的 RealAudio 软件, 它是在因特网上把预先录制的或者现场音乐实时传送给客户机的一种软件, 该软件使用的 RealAudio audio-on-demand protocol 协议就是运行在 UDP 之上的协议, 大多数因特网电话软件产品也都运行在 UDP 之上我们经常使用 ping 命令来测试两台主机之间 TCP/IP 通信是否正常, 其实 ping 命令的原理就是向对方主机发送 UDP 数据包, 然后对方主机确认收到数据包, 如果数据包是否到达的消息及时反馈回来, 那么网络就是通的

10 5 UDP 技术优缺点说到 UDP 的优点和缺点我们就要提一下 TCP, 互联网通信协议分为 TCP 和 UDP 两种. UDP 和 TCP 协议的主要区别是两者在如何实现信息的可靠传递方面不同 TCP 协议中包含了专门的传递保证机制, 当数据接收方收到发送方传来的信息时, 会自动向发送方发出确认消息 ; 发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其它信息, 否则将一直等待直到收到确认信息为止与 TCP 不同,UDP 协议并不提供数据传送的保证机制如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报的丢失, 协议本身并不能做出任何检测或提示因此, 通常人们把 UDP 协议称为不可靠的传输协议相对于 TCP 协议,UDP 协议的另外一个不同之处在于如何接收突法性的多个数据报不同于 TCP,UDP 并不能确保数据的发送和接收顺序例如, 一个位于客户端的应用程序向服务器发出了以下 4 个数据报 D1 D22 D333 D4444 但是 UDP 有可能按照以下顺序将所接收的数据提交到服务端的应用 : D333 D1 D4444 D22 事实上,UDP 协议的这种乱序性基本上很少出现, 通常只会在网络非常拥挤的情况下才有可能发生 TCP 是面向连接的, 有比较高的可靠性, 一些要求比较高的服务一般使用这个协议, 如 FTP Telnet SMTP HTTP POP3 等, 而 UDP 是面向无连接的, 使用这个协议的常见服务有 DNS SNMP QQ 等对于 QQ 必须另外说明一下,QQ2003 以前是只使用 UDP 协议的, 其服务器使用 8000 端口, 侦听是否有信息传来, 客户端使用 4000 端口, 向外发送信息 6 结束语 UDP 是一种不可靠的网络协议, 那么还有什么使用价值或必要呢? 其实在有些情况下 UDP 协议可能会变得非常有用因为 UDP 具有 TCP 所望尘莫及的

11 速度优势虽然 TCP 协议中植入了各种安全保障功能, 但是在实际执行的过程中会占用大量的系统资源, 无疑使速度受到严重的影响 UDP 由于排除了信息可靠传递机制, 将安全和排序等功能移交给上层应用来完成, 极大降低了执行时间, 使速度得到了保证 UDP 与 TCP 位于同一层, 但不能够检测数据包的顺序错误并进行重发因此,UDP 不被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务,U DP 主要用于那些面向查询应答的服务, 例如 NFS 关于 UDP 协议的最早规范是 RFC768,1980 年发布尽管时间已经很长, 但是 UDP 协议仍然继续在主流应用中发挥着作用包括视频电话会议系统在内的许多应用都证明了 UDP 协议的存在价值因为相对于可靠性来说, 这些应用更加注重实际性能所以为了获得更好的使用效果 ( 比如, 更高的画面帧刷新速率 ) 往往可以牺牲一定的可靠性 ( 比如画面质量 ) UDP 将在今后的网络世界中发挥更加重要的作用

Chapter #

Chapter # 第三章 TCP/IP 协议栈本章目标通过本章的学习, 您应该掌握以下内容 : 掌握 TCP/IP 分层模型掌握 IP 协议原理理解 OSI 和 TCP/IP 模型的区别和联系 TCP/IP 介绍主机主机 Internet TCP/IP 早期的协议族全球范围 TCP/IP 协议栈 7 6 5 4 3 应用层表示层会话层传输层网络层应用层主机到主机层 Internet 层 2 1 数据链路层