计算机网络（自顶向下方法）学习记录---3.3 无连接运输UDP

---

前言

这一节详细讲述UDP是如何运作的，可以运作在哪几个方面，UDP又有什么是之前没有了解到的知识。

---

一、UDP

       我们无论设计什么网络应用程序，都要考虑到由应用层传输至运输层时是不能直接将报文直接传输，最少也得做点什么，比如上一节讲述的多路复用，或者由网络层所接收到的数据报，也不能直接递交给应用层进程，也得最少做点什么，比如上一节讲述的多路分解，运输层的最低限度是提供一种复用/分解的功能，以便可以完成数据的网络到进程的正确传输数据。
       而这里介绍的UDP运输层协议【由RFC768定义】就是满足运输层最低限度要求，除了多路复用/分解以及少量的差错检测外，没有对IP增加任何东西。也可以这样说：如果应用程序开发选择UDP而不是TCP那么可以说明应用程序几乎是直接与IP打交道。与TCP不同的是，UDP在传输数据时候，并没有与目的端进行握手，也就是说明UDP是面向无连接的。
       举个使用UDP例子：DNS是通常使用UDP协议的，当用户主机使用DNS应用查询地址时，进程构造一个DNS查询报文，通过套接字接口发送给运输层UDP协议，UDP为报文添加首部字段：将套接字接口端口号与目的端口号、长度、检验和（之后会讲）封装，并发送给网络层，网络层找到对应ip地址的查询服务器，由网络层进行数据报分解为报文段，由运输层UDP多路分解，将报文发送给对应端口号的套接字接口，并合并为报文传递给对应进程，进程对这一系列进行响应，并按照之前的方式发送回客户端。

二、选择性UDP优点

1.UDP优点

       当然我们知道，UDP是不提供可靠数据传输的，那么是不是我们在设计程序之初有限选择TCP而不是UDP呢？
       答案当然是否定的，与所有研究一样，每个协议都有它运作不同环境下的点，也存在着更适合UDP而不是TCP协议的地方。也许我们会提出疑问，要是数据丢失，数据不完整那不是糟糕了，对于选择上来看，我们当然选择最优的，简单的例子，例如：视频通话，假设全校学生在同一时间段都在给自己的父母进行视频通话，而如果所有人选用的是TCP协议，这虽然可以保证通话传递信息的正确性，但是TCP拥有拥塞协议，现在时间段内，所有人都有视频通话都会产生TCP连接，会造成网络拥塞，而TCP会主动阻止某些或者是一部分同学的TCP连接，使得网络正常运行，也就是说，你和父母的通话虽然信息传递都是正确的，但不是实时的，有可能存在时延，你回答父母的话有可能是父母早就说了的。但如果使用UDP就不会产生这种令人头疼的时延问题，虽然有可能卡顿，或者有几个字没有传输成功，但是并不影响实时性，这也是UDP没有拥塞协议的一点，那么如果在这样的环境下，你会选择哪种协议呢，相信大家都会选择后者，因为对于视频通话来说，缺少点信息其实不痛不痒。
       UDP还有如下优点：

1. 关于发送什么数据以及何时发送数据控制精确。这里类比之前提到的视频通话的例子，TCP有拥塞控制机制，流量大时会延迟其他TCP的通信，而UDP如果一旦发送传输，则不管这些，不会考虑网络负担问题。
2. 无需建立连接。与TCP不同，TCP在进行数据传输时，需要端对端事先进行三次握手，并进行连接之后传输数据，而UDP则不需要进行连接与过多的握手操作，其实可以视为节省了一部分时延。这也是DNS为什么不用TCP的原因之一，假设DNS最差要查询的服务器为三个：根服务器、TDL服务器、本地服务器，如果DNS使用TCP则需要与三个不同的服务器分别进行三次握手，总计9次握手，则返回查询的IP地址相较UDP会较慢一些。
3. 无连接状态。TCP要在连接传输数据的过程中维护连接状态。此连接状态包括了接收、发送数据缓存、拥塞控制参数以及确认号的参数，这是TCP可靠性所必须需要的参数。而UDP则不追踪这些参数。
4. 分组首部开销小。每个TCP报文段都有20个字节的首部开销，而UDP只有8个字节的首部开销。

下表是流行英特网应用中运输层协议

应用	应用层协议	运输层协议
电子邮件	SMTP	TCP
远程终端访问	Telnet	TCP
web	HTTP	TCP
文件传输	FTP	TCP
远程文件服务器	NFS	UDP
流式多媒体	通常专用	TCP或者UDP
因特网电话	通常专用	TCP或者UDP
网络管理	SNMP	通常UDP
名字转换	DNS	通常UDP

2.报文结构

报文结构如下：

源端口号	目的端口号
长度	检验和
报文内容

       UDP报文结构中首部由四个字段构成，每个字段2个字节，所以首部字段一共8个字节，源端口号和目的端口号不再赘述，长度是报文结构中首部字段长度加上报文内容字段的长度，检验和是为了UDP做差错检验的计算使用的，差错检验的详细内容于之后的6.5节会及逆行讲述，现在做一个检验和的简单描述。

3.UDP检验和

       UDP的检验和提供了差错检验的功能，，检验用于确定，当前传输的数据由源端系统到目的端系统后，字段是否发生改变。发送方计算16进制位比特和进行反码运算，溢出的字节将进行回卷。下面给出一个例子：
有三个16比特的字：
0110011001100000
0101010101010101
1000111100001100
要计算它们的和，先对前两个字进行加和运算得到：1011101110110101
再和第三个进行加和计算：
1011101110110101
1000111100001100
——————————
0100101011000001 + 1
最后这一步的意思就是回卷，我们可以看到在，最左边的字节进行加和时候，有溢出的1，溢出的1必须与最低位进行加和，故最后得到的值为：
0100101011000010，而反码是将0变为1而1变为0，这里进行反码运算后的值为：1011010100111101。（ps：我自己去查了一下反码运算，好像不是书中说的这样，反码运算是带符号的，按照我们现在进行运算来看，正数应该在字节前加上一个0，负数应该加上一个1，而负数是需要进行反码的，也即是0变1，1变0，之后再进行加和运算，这里的反码运算好像和我查找的反码运算不太一样，也不知道是不是自己理解有问题，但是这不影响我们学习检验和，这里只用知道这样做就可以），反码运算后，在接收方，将所有的这四个比特进行加和，如果得出的值为：
1111111111111111，则证明数据没有差错，但如果出现一个0，则数据有差错。

---

总结

这一节的内容我们主要学习了UDP，与什么环境下选择使用UDP，UDP与TCP的差别、UDP报文结构与UDP的检验和，在最后提示一点，虽然UDP有差错检验，但是没有差错恢复功能，UDP的差错检验作用只是提示端系统，发送出的报文是不是很好的传递出去而已。