Java EE|TCP/IP协议栈之传输层UDP协议详解

喜欢ヅ旅行 2024-03-26 11:35 104阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*   *  一、对UDP协议的感性认识
     *   *  简介
         *  主要特点
     *  二、UDP的报文结构
     *   *  协议端格式概览
         *  报文结构详解
         *   *  源端口
             *  目的端口
             *  16位UDP报文长度
             *  16位校验和
     *  参考

### 一、对UDP协议的感性认识 ###

#### 简介 ####

**UDP，是User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据报协议**，是OSI和TCP/IP协议族参考模型中的一种无连接的传输层模型。

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][Link 1]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，但即使在今天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。**许多应用只支持UDP**，**如：多媒体数据流**，不产生任何额外的数据，即使知道有破坏的包也不进行重发。\*\*当强调传输性能而不是传输的完整性时，如：音频和多媒体应用，UDP是最好的选择。\*\*在数据传输时间很短，以至于此前的连接过程成为整个流量主体的情况下，UDP也是一个好的选择。

#### 主要特点 ####

无连接、不可靠传输、面向数据报、全双工。

其中在之间的网络编程之套接字 UDP一文中，我已就UDP的无连接、面向数据包、全双工做了解释。所以这里我们需要重点解决的问题就是如何理解UDP的不可靠传输。

要想理解这个特点，我们就需要剖析好UDP的报文结构以及内部的一些原理。

### 二、UDP的报文结构 ###

#### 协议端格式概览 ####

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-M4KO04uJ-1676885461888)(F:\\typora插图\\image-20230220165606281.png)\]][img-M4KO04uJ-1676885461888_F_typora_image-20230220165606281.png]

这里报头每个字段都是使用两个字节描述，也就是说UDP的报头是8个字节。

#### 报文结构详解 ####

##### 源端口 #####

我们已经知道一次完整的网络通信，有一个通信五元组：源ip、源端口、目的ip、目的端口、协议号（进程要封装、解析的数据报的数据格式）。

这里边，UDP的包头就体现了，源端口就是发送方的端口号。

##### 目的端口 #####

顾名思义，接收方的端口号。

##### 16位UDP报文长度 #####

这个字段表示的长度不是UDP载荷 的长度，而是整个UDP报文的长度。

216=65536，也就是说16位表示的范围是0~65535（长度是非负数），也就是说64kb（210=1kb,2^6\*10kb=64kb）。但是我们日常生活的数据一般是很大的，如果来自上层即应用层的数据报，超过了64kb怎么办？

对此，我们有两种解决办法

> 1.我们首先要知道，应用层代码是程序员自己根据业务编写的。所以，我们可以在应用层的代码层面上，对应用层的数据进行手动分包，拆分成多个UDP数据包进行传输。

> 2.不使用UDP，使用TCP。TCP对数据报的长度没有限制。

很显然，我们自己手动分包会衍生出来很多问题，所以这种情况下，我们是不使用UDP的。

##### 16位校验和 #####

校验和的作用是为了验证传输的数据是否是正确的。

> 网络传输过程中，很可能会受到一些干扰，在这些干扰下，可能出现“比特翻转”的情况。（比特翻转即1变0，0变1）.
> 
> 为什么可能会收到一些干扰，因为最终这些信息都需要转换成光信号/电信号进行传输，很可能会受到一些物理环境影响，比如电场、磁场或者高能射线等。
> 
> 一旦发生比特翻转，很可能带来致命的打击。
> 
> 校验和就不能降低数据发生比特翻转的概率，但是它能够很大程度上告诉我们它已经翻转了，这个数据已经脏了，我们不能使用。

校验和是针对数据内容进行一些列的数学运算，得到一个比较短的结果。

如果传输前后数据内容一直，得到的校验结果一定；

如果数据变了，得到的校验结果大概率也变了。

**注意：校验和一致，也不代表着中间没有发生比特翻转。理论上存在，但是工程上我们将这种特殊情况忽略不计。**

以上便是关于校验和，我们需要重点理解的东西。下边我们简单说几个比较知名的计算校验和的算法。

> 1.CRC：循环冗余校验。特点是简单粗暴，但是校验效果不佳。每个字节循环累加，溢出的高位舍去。
> 
> 2.MD5：有一系列公式进行复杂运算。特点是定长、冲突概率小、不可逆。这里的定长是指无论原始数据多长，得到的MD5值都是固定长（4/8Byte）。冲突概率小是因为原数据只要改变一个地方，MD5值都会变化很大，冲突的概率极小。不可逆是通过原始数据计算很容易，通过MD5还原成原始数据很难，理论上不可实现，计算量极大。
> 
> 应用：校验和、作为哈希值的获取方式、加密
> 
> 3.SHAI：与MD5类似，但是计算方法不同

### 参考 ###

> [UDP简介][UDP]

[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA/140338?fromModule=lemma_inlink
[img-M4KO04uJ-1676885461888_F_typora_image-20230220165606281.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/952201d12d7f4187be17f83a5760939b.png
[UDP]: https://baike.baidu.com/item/UDP/571511