UDP协议传输抓包详解

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本文详细介绍了UDP协议在TCP/IP协议族中的位置、报文格式和传输过程，包括发送端和接收端的处理。重点讲解了UDP的无连接性、尽最大努力交付等特点，并举例说明了UDP在直播、实时游戏和物联网等领域的应用。

UDP协议视频传输
TCP/IP协议族是一组不同的协议组合在一起构成的协议族，尽管通常称该协议族为TCP/IP，但TCP和IP只是其中的两种协议而已（该协议族的另一个名字是Internet协议族(Internet Protocol Suite)）。
TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统，如图1所示：

图1
链路层：有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节
网络层：有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路；在TCP/IP协议族中，网络层协议包括IP协议（网际协议），ICMP协议（Internet互联网控制报文协议），以及IGMP协议（Internet组管理协议）
运输层：主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信；在TCP/IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议），而在运输层，我们使用UDP协议。
UDP则为应用层提供一种非常简单的服务；它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端；任何必需的可靠性必须由应用层来提供；
应用层：负责处理特定的应用程序细节；
UDP报文格式
UDP协议分为首部字段和数据字段，其中首部字段只占用8个字节，分别是个占用两个字节的源端口、目的端口、报文长度和检验和。
在这里插入图片描述
图2
源端口号（2字节）：发送方端口号
目的端口号（2字节）：接收方端口号
报文长度（2字节）： UDP用具数据报的总长度，一字节为单位
校验和（2字节）：检测UDP用户数据报在传输的过程中是否出错，有错就丢弃。
IP报文格式
普通的IP首部长20字节，除非含有选项字段。如图3所示：
在这里插入图片描述
图3
传输总过程（发送端）
下面我们通过具体的代码来了解UDP传输的过程。我们使用代码发送“./file.txt”，并且在Linux下下载tcpdump用来抓包。使用该软件监控8888这个端口后，运行发送数据包的代码。我们可以抓到如下图所示的一段数据包。
在这里插入图片描述
图4
所以接下来我们根据图1、图2、图3和图4来分析一下我们所抓取的UDP数据包。
应用层：就是应用进程准备发送的原始数据“./file.txt”，对应的数据段是2e/2f/66/69/6c/65/2e/74/78/74
传输层：该层我们使用的是UDP协议，UDP报文格式如图2所示，占8个字节。对应的数据段是de/ec/22/b8/00/12/d7/fa
deec:16位端口号:57068
22b8:16位目的端口号：8888
0012:udp数据报长度：（由于udp报文长度固定位8，所以知道数据位是18字节）
d7fa:16位校验和
网络层:IP数据报的格式如图3所示。占20个字节。对应的数据段是45/00/00/26/b8/42/40/00/40/11/aa/ad/c0/a8/2b/64/c0/a8/2b/22
4500:4代表ipv4协议，5代表IP首部的长度（代指首部占32bit/4byte的数目）,00代表服务类型为一般服务。
0026:代表总长度（包含包头和数据）是38。
B842:16位标志
4000:3位编制家13位片偏移
4011:40代表生存时间ttl64,11代表协议类型udp(17).
aaad:代表首部校验和
C0a82b64:32位源ip地址:192.168.43.100
c0a82b22:32位目的地址:192.168.43.34
链路层：这一步主要就是封包了，主要格式就是：以太网封装格式和 802.x 封装格式了，我们使用的是以太网封装格式。经过以太网封装之后就是我们在以太网上传输的数据帧（bit流）了。
传输过程（接收端）
接收端和发送端的顺序刚好相反。即分别经过链路层去掉以太网的头部，经过网络层去掉IP的头部，经过传输层去掉UDP的头部，经过应用层得到数据流。就完成了整个的数据传输过程。
UDP的特点：
A、是无连接的。相比于TCP协议，UDP协议在传送数据前不需要建立连接，当然也就没有释放连接。
B、是尽最大努力交付的。也就是说UDP协议无法保证数据能够准确的交付到目的主机。也不需要对接收到的UDP报文进行确认。
C、是面向报文的。也就是说UDP协议将应用层传输下来的数据封装在一个UDP包中，不进行拆分或合并。因此，运输层在收到对方的UDP包后，会去掉首部后，将数据原封不动的交给应用进程。
D、没有拥塞控制。因此UDP协议的发送速率不送网络的拥塞度影响。
E、UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
F、UDP的头部占用较小，只占用8个字节。
基于UDP的例子
直播：直播对实时性的要求比较高，宁可丢包，也不要卡顿的，所以很多直播应用都基于 UDP 实现了自己的视频传输协议
实时游戏：游戏的特点也是实时性比较高，在这种情况下，采用自定义的可靠的 UDP 协议，自定义重传策略，能够把产生的延迟降到最低，减少网络问题对游戏造成的影响
物联网：一方面，物联网领域中资源少，很可能就是个很小的嵌入式系统，而维护 TCP 协议的代价太大了；另一方面，物联网对实时性的要求也特别高。比如 Google 旗下的 Nest 简历 Thread Group，推出了物联网通信协议 Thread，就是基于 UDP 协议的
总的来说，对于实时性要求较高而且可以容忍部分丢包的视频类传输，可以采用UDP传输协议。