TCPIP详解学习笔记-UDP协议

1.UDP简要介绍

UDP是传输层协议，和TCP协议处于一个分层中，但是与TCP协议不同，UDP协议并不提供超时重传，出错重传等功能，也就是说其是不可靠的协议。

下面的图是一个UDP的检验和所需要用到的所有信息，包括三个部分：

1.UDP伪首部
2.UDP首部
3.UDP的数据部分

                                                            （图片链接）

首先解释下伪首部的概念，伪首部包含IP首部一些字段。其目的是让UDP两次检查数据是否已经正确到达目的地，只是单纯为了做校验用的。
还有一个概念十分重要，那就是16位UDP总长度，请注意该长度不是报文的总长度，而只是UDP（包括UDP头和数据部分）的总长度。

2.UDP协议头

2.1.UDP端口号

由于很多软件需要用到UDP协议，所以UDP协议必须通过某个标志用以区分不同的程序所需要的数据包。端口号的功能就在于此，例如某一个UDP程序A在系统中注册了3000端口，那么，以后从外面传进来的目的端口号为3000的UDP包都会交给该程序。端口号理论上可以有2^16这么多。因为它的长度是16个bit

2.2.UDP检验和

这是一个可选的选项，并不是所有的系统都对UDP数据包加以检验和数据(相对TCP协议的必须来说)，但是RFC中标准要求，发送端应该计算检验和。

UDP检验和覆盖UDP协议头和数据，这和IP的检验和是不同的，IP协议的检验和只是覆盖IP数据头，并不覆盖所有的数据。UDP和TCP都包含一个伪首部，这是为了计算检验和而摄制的。伪首部甚至还包含IP地址这样的IP协议里面都有的信息，目的是让UDP两次检查数据是否已经正确到达目的地。如果发送端没有打开检验和选项，而接收端计算检验和有差错，那么UDP数据将会被悄悄的丢掉（不保证送达），而不产生任何差错报文。

计算检验和（checksum）的过程很关键，主要分为以下几个步骤：
1.把伪首部添加到UDP上；
2.计算初始时是需要将检验和字段添零的；
3.把所有位划分为16位（2字节）的字

4.把所有16位的字相加，如果遇到进位，则将高于16字节的进位部分的值加到最低位上，举例，0xBB5E+0xFCED=0x1 B84B，则将1放到最低位，得到结果是0xB84C
5.将所有字相加得到的结果应该为一个16位的数，将该数取反则可以得到检验和checksum。

2.3.UDP长度

UDP可以很长很长，可以有65535字节那么长。但是一般网络在传送的时候，一次一般传送不了那么长的协议（涉及到MTU的问题），就只好对数据分片，当然，这些是对UDP等上级协议透明的，UDP不需要关心IP协议层对数据如何分片，下一个章节将会稍微讨论一些分片的策略。

3.IP分片

IP在从上层接到数据以后，要根据IP地址来判断从那个接口发送数据（通过选路），并进行MTU的查询，如果数据大小超过MTU就进行数据分片。数据的分片是对上层和下层透明，而数据也只是到达目的地还会被重新组装，不过不用担心，IP层提供了足够的信息进行数据的再组装。

在IP头里面，16bit识别号唯一记录了一个IP包的ID,具有同一个ID的IP片将会被重新组装；而13位片偏移则记录了某IP片相对整个包的位置；而这两个表示中间的3bit标志则标示着该分片后面是否还有新的分片。这三个标示就组成了IP分片的所有信息，接受方就可以利用这些信息对IP数据进行重新组织（就算是后面的分片比前面的分片先到，这些信息也是足够了）。

因为分片技术在网络上被经常的使用，所以伪造IP分片包进行流氓攻击的软件和人也就层出不穷。

可以用Trancdroute程序来进行简单的MTU侦测。请参看教材。

3.UDP和ARP之间的交互式用

这是不常被人注意到的一个细节，这是针对一些系统地实现来说的。当ARP缓存还是空的时候。UDP在被发送之前一定要发送一个ARP请求来获得目的主机的MAC地址，如果这个UDP的数据包足够大，大到IP层一定要对其进行分片的时候，想象中，该UDP数据包的第一个分片会发出一个ARP查询请求，所有的分片都辉等到这个查询完成以后再发送。事实上是这样吗？

结果是，某些系统会让每一个分片都发送一个ARP查询，所有的分片都在等待，但是接受到第一个回应的时候，主机却只发送了最后一个数据片而抛弃了其他，这实在是让人匪夷所思。这样，因为分片的数据不能被及时组装，接受主机将会在一段时间内将永远无法组装的IP数据包抛弃，并且发送组装超时的ICMP报文（其实很多系统不产生这个差错），以保证接受主机自己的接收端缓存不被那些永远得不到组装的分片充满。

4.ICMP源站抑制差错

当目标主机的处理速度赶不上数据接收的速度，因为接受主机的IP层缓存会被占满，所以主机就会发出一个“我受不了”的一个ICMP报文。

5.UDP服务器设计

UDP协议的某些特性将会影响我们的服务器程序设计，大致总结如下：

1. 关于客户IP和地址：服务器必须有根据客户IP地址和端口号判断数据包是否合法的能力（这似乎要求每一个服务器都要具备）
2. 关于目的地址：服务器必须要有过滤广播地址的能力。
3. 关于数据输入：通常服务器系统的每一个端口号都会和一块输入缓冲区对应，进来的输入根据先来后到的原则等待服务器的处理，所以难免会出现缓冲区溢出的问题，这种情况下，UDP数据包可能会被丢弃，而应用服务器程序本身并不知道这个问题。
4. 服务器应该限制本地IP地址，就是说它应该可以把自己绑定到某一个网络接口的某一个端口上。

举例：计算的是一个TCP的检验和（和UDP的算法一致）

1. TCP计算检验和的报文结构如下所示：
   
   
   抓包工具抓了一个TCP 的syn报文做研究，下面就是整个报文：
   
   
   
   1.首先将检验和部分添零；
   2.然后将TCP伪首部部分，TCP首部部分，数据部分都划分成16位的一个个16进制数；
   3.将这些数逐个相加，记得溢出的部分加到最低位上，这是循环加法：
    0xc0a8+ 0x0166+……+0x0402=0x9b49
   4.最后将得到的结果取反，则可以得到检验和位0x64B6
   
   按照上述步骤进行计算就可以得到检验和为0x64B6，大家也可以试试看
   IP数据报只检验IP数据报的首部，但UDP检验的是把首部和数据部分一起都检验。
   
   IP分片（MTU）
   IP分片与网络的MTU有关.先来看看MTU:
   MTU(Maximum Transmission Unit)是网络上传送的最大数据包.MTU的单位是字节.例如,Ethernet在一个帧中仅仅能够发送1500个字节,而16MB/sToken Ring的典型的MTU每个帧是17914个字节.
   RFC791规定,MTU最大是65535个字节,最小是68个字节.当IP层收到一份要发送的IP数据包时,如果数据包大于发送系统的本地MTU的话,这时系统就得把数据包分成多个片(fragmentation)来发送.在数据包传输过程中,如果IP数据包太大而不能通过发送者和最终接收者之间的某个网段时,路由器也会把包分段,使得数据包能顺利通过这个网络.
   分片后的IP数据包,只有到达目的地才进行重新组装.重新组装由目的端的IP层来完成,其目的是使分片和重新组装过程对传输层(TCP和UDP)是透明的.已经分片过的数据包有可能会再次进行分片(可能不止一次).
   当IP数据被分片后,每一片都成为一个分组,具有自己的IP首部,这些分片后的数据包相互独立,会选择各自的最佳路由到达目的地.这样,当数据包的这些片到达目的端时有可能会失序,接收端凭着在IP首部中的信息正确组装这些数据包分片.
   虽然数据可以分片,但是要尽量避免分片,因为IP层本身没有超时重传机制,由更高层来负责超时和重传(TCP有超时和重传机制).当某片报文丢失后,TCP在超时后会重发整个TCP报文段,而不是重传数据包文段的一个数据包片,分片还会增加丢包率,降低网络速度.
    
   路由器是否重组分片的ip数据包？
   各分片独立传输，在网络中沿多条路径传输，一台路由器不可能收集所有分片。不在路由器上分片重组可以简化路由器协议，减轻其工作负担。
    
   ICMP不可到达差错（需要IP分片）
   发生ICMP不可达差错的另一种情况是，当路由器收到一份需要分片的数据报，而在IP首部又设置了不分片（DF）的标志比特。如果某个程序需要判断到达目的端的路途中最小MTU是多少—称作路径MTU发现机制，那么这个差错就可以被该程序使用。
   

1. 参考链接： http://www.2cto.com/net/201309/245861.html
2.                     http://blog.csdn.net/goodboy1881/article/details/713856