TCP/IP-UDP

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　　We read the world wrong but say that it deceives us.

　　"我們看錯了世界，卻說世界欺騙了我們"

 

參考資料：TCP/IP入門經典 （第五版）

   　　　　 TCP/IP詳解 卷一：協議

 

一、簡介

　　UDP（使用者資料包通訊協定），是一個簡單的面向資料報的傳輸層協議，進程的每個輸出操作都正好產生一個UDP資料報，並組裝成一份待發送的IP資料報。它在協議棧中的位置如下

 

　　特點：UDP是一個面向資料報的協議，所以它不提供可靠性：它把應用程式傳給IP層的資料發送出去，但並不保證它們能到達目的地

 

二、UDP首部

　　由於不提供可靠性，所以UDP的首部比較簡單

 

　　各欄位含義如下：

　　● 連接埠號碼：就是傳輸層識別應用程式的一個正整數

　　● 16位UDP長度：UDP長度指的是UDP首部和UDP資料的總長度。注意，UDP長度的最小值為8位元組，也就是說可以發送一個沒有資料的UDP資料報。記得在 TCP/IP協議-IP協議 中說到IP首部中有一個首部長度，那麼用IP資料報的總長減去IP首部的長度就可以得到UDP資料報的長度了

　　● 16位UDP檢驗和：關於檢驗和，要特別留意幾點。

　　首先，UDP的檢驗和覆蓋了UDP首部和UDP資料，而IP首部的檢驗和只覆蓋了IP首部；其次，UDP的檢驗和是可選的，而TCP的檢驗和是必須的；UDP資料報的長度可以是奇數位元組，所以在計算時要在末尾填充0，但是這些0可能不被傳送；UDP檢驗和的計算方法與IP首部的檢驗和一樣（16個bit的二進位反碼求和）

　　最後，UDP在計算檢驗和的時候包含了一個12位元組長的偽首部，它僅僅是為了計算檢驗和而設定。UDP檢驗和計算過程中使用的各個欄位如下

 

　　如果檢驗和的計算結果為0，則存入的值全為1。如果傳送的檢驗和為0，說明發送端沒有計算檢驗和。這樣，如果接收端計算的檢驗和不為全0，但是檢驗和欄位為全0的話，說明傳送過程中出錯了，UDP資料報將會被丟棄，並且不產生任何差錯報文

　　雖然UDP檢驗和是可選的，但是它們應該總是在用，畢竟還是要確報資料轉送的正確性

 

三、IP分區和重組

　　為什麼要在這裡討論IP分區呢？前面講到UDP是不提供傳輸的可靠性的，但是至少要保證資料能完整的傳輸，所以只能把這個責任留給IP。下面先來瞭解幾個概念

  最大UDP資料報長度

　　IP資料報的最大長度為65535個位元組，去掉IP首部的20個位元組和UDP首部的8個位元組，UDP資料報的最大長度理論上應該為65507位元組。但事實上，大多數實現都達不到這個長度，原因有下：

　　　● 應用程式介面限制：socket API提供了一個可供應用程式調用的函數，用來設定接收和發送緩衝的長度，大部分系統都預設提供了可讀寫大於8192位元組的UDP資料報。

　　　● 核心實現：可能存在一些實現特性（或差錯），使IP資料報長度小於65535

　　雖然IP可以發送那麼長的資料報，但應用程式並不保證能夠讀取該長度的資料。因此，UDP編程介面允許應用程式設定能處理的最大長度。當資料報長度超出應用程式能處理的最大長度時，不同的API有著不同的處理策略，這就要求發送端控制資料報的大小

  路徑MTU

　　MTU（傳輸單元最大值），指的是資料連結層對傳輸的資料幀長度的一個上限值，不同的網路類型有著不同的值。而路徑MTU指的是兩台通訊主機路徑中最小的MTU。兩台主機之間的路徑MTU不一定是一個常數，因為路由選擇並不一定是對稱的，而且網路隨時都在發生變化

  ICMP

　　ICMP（Internet控制報文協議），是一個位於網路層的協議。它經常被認為是IP層的一個組成部分，因為ICMP的主要功能是傳遞差錯報文及其他需要注意的資訊，並且ICMP報文是封裝在IP資料報內部的

　　常見的幾種差錯報文：

  　　● 連接埠不可達：如果接收端收到一份UDP資料報而目的連接埠與某個正在使用的進程不相符，那麼UDP返回一個ICMP不可達報文

  　　● 分區衝突不可達：當路由器收到一份需要分區的資料報，而在IP首部又設定了不分區的標誌位，那麼路由器返回一個ICMP不可達報文。並且，此時可以把這條路徑的路徑MTU返回給源主機或路由器，這樣就可以協助這條路徑上的其他路由器確定每個子路徑上的MTU，這被稱作路徑MTU發現機制

  　　● 來源站點抑制：當一個系統（路由器或主機）接收資料報的速度比其處理速度快時，它有可能會返回一個來源站點抑制差錯報文。由於來源站點抑制需要消耗頻寬，並且實際上沒有什麼作用，所以人們並不支援產生來源站點抑制報文

  IP分區

　　前面已經講過，資料連結層一般要限制每次發送資料幀的最大長度（MTU）。任何時候IP層接收到一份要發送的IP資料報時，它要判斷向本地哪個介面發送資料（選路），並查詢介面獲得MTU，如果資料報長度大於MTU，那就需要進行分區。分區可以發生在原始發送端主機上，也可以發生在中間路由器上。

　　在介紹IP首部欄位的時候，談到IP首部的“第二行”有三個欄位：16位標識、3位標誌和13位片位移，它們就是被用在IP分區過程中。對於發送端發送的每份IP資料報來說，其識別欄位都包含一個唯一值，在資料報分區時被複製到每個片中，表明它們是來自同一個資料報。標誌欄位用其中一個bit來表示“更多的片”，把該位置1表示這個還有其他分區，所以最後一片要把該位置0。片位移欄位指的是該片位移未經處理資料報開始處的位置。另外，分區以後，每個片的總長度值要改為該片的長度值。標誌欄位中有一個bit稱作“不分區”位，如果將這個置1，IP將不對資料報進行分區。如果此時導致資料報不能發送，那麼將會返回一個ICMP不可達差錯報文（分區衝突）

　　分區之後，每一片都成為一個分組，這裡的分組指的是網路層到資料連結層之間的傳輸單元，而IP資料報是指IP層端到端的傳輸單元。每個分組都有自己的IP首部

　　需要注意是：

  　　● 在分區時，除最後一個片外，其他每一個片中的資料部分（除IP首部外的其餘部分）必須是8位元組的整數倍（暫時沒搞清楚為什麼，個人猜測是為了方便計算片位移，還有接收端的重組）

  　　● 任何傳輸層首部只出現在第一片資料中

  　　● 分區可能發生在源主機或者路徑上的路由器，但重組只可能發生在目的主機上。因為路徑上的路由器只負責轉寄，並不關心IP資料報的資料內容

  　　● 即使只丟失了一片資料也需要重新傳整個資料報，因為上一點，中間路由器可能再次分區，而目的端並不知道丟失的片是被如何分區的

　　  ● 各個片到達目的端時可能是亂序的，但是IP首部利用前面講的三個欄位，可以將分區正確地拼接起來

　　下面來完整描述一個IP資料報的傳輸過程作為總結，假設待發送的傳輸層資料報需要進行分區，並且發送端和接收端不是直接相連：

　　　①源主機的傳輸層將資料報發送到網路層；

  分區：②

　　　②IP探索資料報太大，需要分區，就將資料報分區：第一片包含了資料報的開頭部分資料，資料大小為8位元組的整數倍，包含了傳輸層首部，並將標誌欄位中表示“更多的片”欄位置1，片位移欄位置0，然後把總長度值改為分區以後的片長度值；第二片到倒數第二片包含了某個長度的資料，並且資料大小為8位元組的整數倍，但是它們都沒有包含傳輸層首部，它們的“更多的片”欄位置為1，片位移欄位根據片序號和前一片的資料長度設定，總長度設定同第一片；最後一片包含了剩餘的資料部分，資料長度不一定是8位元組的整數倍，沒有包含傳輸層首部，“更多的片”欄位被置0，片位移欄位根據前面的資料長度設定，總長度值也根據前面的片進行設定；所有片的識別欄位都相同

　　　③網路層把每一個片作為一個分組傳送給資料連結層；

  傳輸：④～⑥

　　　④資料連結層將分組轉化為資料幀發送給下一個系統（路由器或者主機）；

　　　⑤接收到資料幀的路由器向上傳送至網路層；

　　　⑥IP檢查資料報長度和MTU，如果需要分區，就跳到第②步；如果不需要分區，就跳到第④步，直到發送到目的主機；

  重組：⑦

　　　⑦目的主機陸續收到各個片，如果目的主機發現缺失了某個片，那麼將會返回一個ICMP錯誤判文，源主機將會重新發送資料報，回到第①步；如果沒有片缺失，目的主機將會根據識別欄位、標誌欄位和片位移將所有片重組為傳輸層資料報，傳輸層發送給應用程式，資料轉送完成

　　關於IP分區重組的實現，可以參考 Linux TCP/IP協議棧關於IP分區重組的實現

 

 

四、UDP伺服器設計

　　最後來討論一下UDP那些影響使用該協議的伺服器的設計和實現方面的協議特性

  客戶IP地址及連接埠號碼

　　UDP伺服器必須儲存來自客戶資料報的源IP地址和源連接埠號碼，這個特性允許一個互動UDP伺服器對多個客戶進行處理

  目的IP地址

　　某些應用程式需要知道資料報是發送給誰的，即目的IP地址

  UDP輸入隊列

　　大多數UDP伺服器是重複型伺服器，單個伺服器處理序對單個UDP連接埠上的所有客戶請求進行處理。所以必須維護一個輸入隊列來對差不多同時到達的請求進行處理

  限制本地IP地址

　　大多數UDP伺服器在建立UDP端點是都使其IP地址具有萬用字元的特點，這樣可以從任何的本地介面來接收使用者請求

  限制遠端IP地址

　　限制遠端IP地址和連接埠號碼可以只接收特定地址的UDP資料報

  每個連接埠有多個接收者

　　當UDP資料報到達目的IP地址為廣播或多播地址，而且在目的IP地址和連接埠號碼處有多個端點時，就向每個端點傳送一份資料報的複製。如果UDP資料報到達的是一個單播地址，那麼只向其中一個端點傳送一份資料報的複製

 

總結：UDP是一個簡單的協議，本文大部分篇幅都用在介紹IP分區的內容，等到介紹TCP的時候，再討論UDP與TCP之間的區別和聯絡

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