什么是UDP?

UDP是User Datagram Protocol(用戶數據報協議)的縮寫，它是一個簡單的協議，簡單到UDP規范RFC0768只有區區3頁。

UDP是工作在IP層之上的傳輸層協議，UDP對IP主要有兩個擴展：

1. 擴展出端口號使得IP數據報可以多路分發到用戶進程。
2. 擴展出校驗和提供網絡傳輸過程中數據差錯的檢驗。

IP提供了一種盡力而為、無連接的數據報交付服務。IP基于IP地址實現路由和分組轉發，可以將一個IP數據報從網絡的一臺主機傳送到另一臺主機，IP地址決定IP數據報將被送往哪個主機。所以，IP提供主機到主機的數據報傳輸服務。

IP數據報到達目的主機后，內核層實現的IP模塊，會負責接收網卡上的IP數據報，但主機上通常會同時運行多個進程，IP數據報應該交給哪個進程去處理呢?IP搞不定。

端口號(位于UDP首部)決定數據報交給主機上的哪個進程處理。所以，UDP為端主機上運行的應用程序提供了端到端服務。

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UDP的特征

1. UDP是無連接的，通信之前無須建連便可直接發送數據報，而TCP是面向連接的。
2. UDP不提供差錯糾正，但UDP提供差錯檢測(端到端校驗和)。
3. UDP不做重復消除。
4. UDP不做流量控制。
5. UDP不做擁塞控制，沒有協議機制防止高速UDP流量對其他網絡用戶的消極影響。
6. UDP不保證順序，數據報遞交應用的順序。
7. UDP不可靠，UDP只負責把應用程序傳給IP層的數據發送出去，并不能保證數據報到達目的地，可靠傳遞需要應用程序去實現。
8. UDP支持組播交付。
9. UDP是一種保留消息邊界的傳輸層協議。

消息邊界

應用程序每請求一次UDP輸出將產生一個UDP數據報，從而發送一個IP數據報，而接收端每請求一次UDP接收都將接收一個完整的UDP報(如果有)，這跟面向數據流的TCP不一樣。

假設主機A給主機B發送2次數據，***次4字節“abcd”，第二次3字節“xyz”，而主機B接收2次，分別返回“abcd”、“xyz”兩個消息，也可以返回“xyz”，“abcd”兩個消息(順序不重要)，那么這就是保留消息邊界。

UDP是保留消息邊界的傳輸層協議，利用UDP通信的應用程序每次發送操作會產生一個IP數據報(不考慮分片)，這就約束每次發送的數據量不能大于MTU(***傳輸單元)，接收端每次接收都會返回一個個UDP數據報的完整負載，不會出現返回半個數據報負載的情況。

而TCP是不保留消息邊界的流協議，發送端調用發送的次數和每次發送的數據量，跟接收端調用接收的次數和每次接收的數據量，沒有任何對應關系，所以使用TCP的應用程序需要去處理消息邊界。

UDP數據報封裝格式

IPv4協議(Protocol)字段用值17來標識UDP，UDP數據報頭部通常是8字節，IPv4頭部之后緊接著是UDP頭部，然后是UDP數據Payload(如有)。

IPv4 UDP數據報封裝格式

IPv4封裝包對應的UDP頭部由源端口號、目的端口號、長度、校驗和組成，每個字段都是2字節。

1、端口號，純抽象的標識，它不跟任何物理實體相關。

端口號用于幫助協議分辨發送和接收進程。接收端的內核層從網卡接收到IP數據報之后，識別出UDP數據報(IP數據報頭部協議字段值=17)之后，會根據UDP頭部的目的端口號，映射到對應進程，把UDP數據報交給對應的進程去處理，這個映射關系由系統內核管理維護。

UDP頭部和負載

目的端口號是必須的，但源端口號是可選的，如果數據報發送者不需要對方回復的話，則源端口號可被設置為0。

因為IP層根據IP頭部的協議類型字段，將進入的IP數據報，分發到特定的傳輸協議(TCP或UDP等)，到了傳輸協議層，再根據端口號將協議數據分發到不同進程。所以，端口號是協議獨立的，不同協議的相同端口號并不會引起分發混亂。

比如，一臺機器上的兩個網絡服務進程使用相同的IP地址和端口號，但一個使用TCP協議，另一個使用UDP協議，這樣是沒有問題。

2、長度字段，是以字節為單位的UDP頭部和UDP數據的總長度，因為UDP頭部長度為8，且空數據的UDP數據報是允許的，這意味著該長度字段值最小為8。UDP長度值是冗余的，因為可以通過IP數據報的總長度減去IP首部的長度推導出來。

3、校驗和，覆蓋了UDP首部、UDP數據和一個偽首部，由初始發送方計算，由最終目的方校驗，用于判斷數據報在網絡傳輸過程中是否出錯，比如某一位從1變成了0。

使用UDP的應用程序如何實現可靠傳輸

眾所周知，UDP不可靠、不保證順序。

1、什么叫不可靠?A給B發送一個UDP數據報，該UDP數據報不一定被正確交付給接收端B，但因為網絡質量等各種原因，可能丟包，IP數據報是盡力而為的交付，一切隨緣。

有沒有辦法保證，發送的UDP一定到達目的端?Sorry，保證不了，做不到。

那TCP提供的可靠傳輸是什么意思?TCP提供的可靠傳輸并不是指不丟包，因為TCP也依賴IP(IP不可靠)實現數據報交付，TCP的可靠性是指丟掉的包會被重傳，直到被正確投遞，才會繼續傳輸下一個數據報。

那TCP是怎么做到可靠傳輸的呢?很簡單，收報確認(ack)+丟包重傳。所以UDP如果要提供可靠傳輸，也可以參考TCP的實現機制，只是TCP是實現在內核層，而基于UDP的應用程序，可以把可靠傳輸做到應用層。要做收報確認+丟包重傳，需要一些額外的信息，比如包序列號之類，可以放到Payload，約定好這些額外信息在Payload中的結構布局即可。

2、什么叫不保證順序?A給B發送兩個UDP數據報，兩個UDP數據報會被封裝為兩個IP數據報，通過IP協議傳輸，因為兩個IP數據報獨立路由，所以哪個先到?不一定，看心情。

有沒有辦法保證，UDP數據報按照發送端發送的時間順序到達目的端?也Sorry，辦不到。

所以，TCP提供的順序性，其實只是在接收端對IP數據報根據發送順序重新排序，很顯然，UDP要支持重排序，也需要一些額外信息，也只能通過payload攜帶，而不能像TCP一樣(TCP首部的一些字段用于接收端重排序)。

綜上，UDP只提供最簡單端主機上應用程序的端到端服務，其他的特性，如果要提供，那請參考TCP的思路去實現吧。

這是有好處的：因為簡單，所以開銷很小。而某些應用場景，可以容忍丟包、亂序，UDP就是很適合的。保時捷是很好，但拉磚還是用拖拉機吧。

UDP Socket編程

UDP Socket網絡編程的API不多，socket()用于創建套接字，close()用于關閉套接字，sendto()用于發送數據，recvfrom()用于接收數據。

bind()顧名思義是綁定，TCP可以綁定，UDP也可以，bind用于UDP等于告訴內核：這個套接字跟網絡遠端的一個

而沒有bind之前，只能通過sendto()接口(通過參數指定目的地)。UDP套接字recv()返回的是UDP數據報的數據部分(Payload)，不包括UDP數據報首部，這是因為UDP首部的字段用于分發或者校驗，不需要透傳給應用程序。

使用UDP套接字開發的網絡應用Server/Client，網絡IO相關操作和流程如下圖所示：

UDP套接字編程