UDP协议

 

　　UDP 协议是英文 UserDatagramProtocol 的缩写，即用户数据报协议，主要用来支持那些
需要在计算机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，但是即使是在今天，UDP 仍然不失为一项非常实用和
可行的网络传输层协议。
　　与我们所熟知的 TCP（传输控制协议）协议一样，UDP 协议直接位于 IP（网际协议）协
议的顶层。根据 OSI（开放系统互连）参考模型，UDP 和 TCP 都属于传输层协议。
　　UDP 协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据报的形式。一个典型的数据报就是一
个二进制数据的传输单位。每一个数据报的前 8 个字节用来包含报头信息，剩余字节则用来
包含具体的传输数据。
UDP 报头
UDP 报头由 4 个域组成，其中每个域各占用 2 个字节，具体如下：
源端口号
目标端口号
数据报长度
校验值
　　UDP 协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道。UDP 和 TCP 协议正是采
用这一机制实现对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的支持。数据发送一方（可以是
客户端或服务器端）将 UDP 数据报通过源端口发送出去，而数据接收一方则通过目标端口接
收数据。有的网络应用只能使用预先为其预留或注册的静态端口；而另外一些网络应用则可
以使用未被注册的动态端口。因为 UDP 报头使用两个字节存放端口号，所以端口号的有效范
围是从 0 到 65535。一般来说，大于 49151 的端口号都代表动态端口。
　 　数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总的字节数。因为报头的长度是固定的，
所以该域主要被用来计算可变长度的数据部分（又称为数据负载）。数据报 的最大长度根
据操作环境的不同而各异。从理论上说，包含报头在内的数据报的最大长度为 65535 字节。
不过，一些实际应用往往会限制数据报的大小，有时会 降低到 8192 字节。
　　UDP 协议使用报头中的校验值来保证数据的安全。校验值首先在数据发送方通过特殊的
算法计算得出，在传递到接收方之后，还需要再重新计算。如果某个数据报在传输过程中被
第三方篡改或者由于线路噪音等原因受到损坏，发送和接收方的校验计算值将不会相符，由
此 UDP 协议可以检测是否出错。这与 TCP 协议是不同的，后者要求必须具有校验值。
UDPvs.TCP
　　UDP 和 TCP 协议的主要区别是两者在如何实现信息的可靠传递方面不同。TCP 协议中包
含了专门的传递保证机制，当数据接收方收到发送方传来的信息时，会自动向发送方发出确
认消息；发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其它信息，否则将一直等待直到收
到确认信息为止。
　　与 TCP 不同，UDP 协议并不提供数据传送的保证机制。如果在从发送方到接收方的传递
过程中出现数据报的丢失，协议本身并不能做出任何检测或提示。因此，通常人们把 UDP 协
议称为不可靠的传输协议。
　　相对于 TCP 协议，UDP 协议的另外一个不同之处在于如何接收突法性的多个数据报。不
同于 TCP，UDP 并不能确保数据的发送和接收顺序。例如，一个位于客户端的应用程序向服
务器发出了以下 4 个数据报
D1
D22
D333
D4444
但是 UDP 有可能按照以下顺序将所接收的数据提交到服务端的应用：
D333
D1
D4444
D22
事实上，UDP 协议的这种乱序性基本上很少出现，通常只会在网络非常拥挤的情况下才有可
能发生。
UDP 协议的应用
　　也许有的读者会问，既然 UDP 是一种不可靠的网络协议，那么还有什么使用价值或必要
呢？其实不然，在有些情况下 UDP 协议可能会变得非常有用。因为 UDP 具有 TCP 所望尘莫及
的速度优势。虽然 TCP 协议中植入了各种安全保障功能，但是在实际执行的过程中会占用大
量的系统开销，无疑使速度受到严重的影响。反观 UDP 由于排除了信息可靠传递机制，将安
全和排序等功能移交给上层应用来完成，极大降低了执行时间，使速度得到了保证。
　　关于 UDP 协议的最早规范是 RFC768，1980 年发布。尽管时间已经很长，但是 UDP 协议
仍然继续在主流应用中发挥着作用。包括视频电话会议系统在内的许多应用都证明了 UDP 协
议的存在价值。因为相对于可靠性来说，这些应用更加注重实际性能，所以为了获得更好的
使用效果（例如，更高的画面帧刷新速率）往往可以牺牲一定的可靠性（例如，会面质量）。
这就是 UDP 和 TCP 两种协议的权衡之处。根据不同的环境和特点，两种传输协议都将在今后
的网络世界中发挥更加重要的作用
                       编写 Linux 下的 UDP Client/Server 程序
一、引言
UDP 是 TCP/IP 协议中的传输层协议的一种，本文介绍了在 Linux 下编写基于 UDP 协议的
Client/Server 模型的程序的方法，并给出了一个 echo Client/Server 例子程序。
二、UDP 协议简介
UDP 是一种简单的传输层协议，在 RFC768 中有详细描述。UDP 协议是一种非连接的、不可靠
的数据报文协议，完全不同于提供面向连接的、可靠的字节流的 TCP 协议。虽然 UDP 有很多
不足，但是还是有很多网络程序使用它，例如 DNS（域名解析服务）、NFS（网络文件系
统）、SNMP（简单网络管理协议）等。
通常，UDP Client 程序不和 Server 程序建立连接，而是直接使用 sendto()来发送数据。同
样，UDP Server 程序不需要允许 Client 程序的连接，而是直接使用 recvfrom()来等待直到
接收到 Client 程序发送来的数据。
这里，我们使用一个简单的 echo Client/Server 程序来介绍在 Linux 下编写 UDP 程序的方
法。Client 程序从 stdin 读取数据并通过网络发送到 Server 程序，Server 程序在收到数据
后直接再发送回 Client 程序，Client 程序收到 Server 发回的数据后再从 stdout 输出。
三、UDP Server 程序
1、编写 UDP Server 程序的步骤
(1)使用 socket()来建立一个 UDP socket，第二个参数为 SOCK_DGRAM。
(2)初始化 sockaddr_in 结构的变量，并赋值。sockaddr_in 结构定义：
struct sockaddr_in {
uint8_t sin_len;
sa_family_t sin_family;
in_port_t sin_port;
struct in_addr sin_addr;
char sin_zero[8];
};
这里使用“08”作为服务程序的端口，使用“INADDR_ANY”作为绑定的 IP 地址即任何主机
上的地址。
(3)使用 bind()把上面的 socket 和定义的 IP 地址和端口绑定。这里检查 bind()是否执行成
功，如果有错误就退出。这样可以防止服务程序重复运行的问题。
(4)进入无限循环程序，使用 recvfrom()进入等待状态，直到接收到客户程序发送的数据，
就处理收到的数据，并向客户程序发送反馈。这里是直接把收到的数据发回给客户程序。
2、udpserv.c 程序内容：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8888
void do_echo(int sockfd, struct sockaddr *pcliaddr, socklen_t clilen)
{
int n;
socklen_t len;
char mesg[MAXLINE];
for(;;)
{
len = clilen;
/* waiting for receive data */
n = recvfrom(sockfd, mesg, MAXLINE, 0, pcliaddr, &len);
/* sent data back to client */
sendto(sockfd, mesg, n, 0, pcliaddr, len);
}
}
int main(void)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); /* create a socket */
/* init servaddr */
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
/* bind address and port to socket */
if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1)
{
perror("bind error");
exit(1);
}
do_echo(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
return 0;
}
四、UDP Client 程序
1、编写 UDP Client 程序的步骤
(1)初始化 sockaddr_in 结构的变量，并赋值。这里使用“8888”作为连接的服务程序的端
口，从命令行参数读取 IP 地址，并且判断 IP 地址是否符合要求。
(2)使用 socket()来建立一个 UDP socket，第二个参数为 SOCK_DGRAM。
(3)使用 connect()来建立与服务程序的连接。与 TCP 协议不同，UDP 的 connect()并没有与
服务程序三次握手。上面我们说了 UDP 是非连接的，实际上也可以是连接的。使用连接的
UDP，kernel 可以直接返回错误信息给用户程序，从而避免由于没有接收到数据而导致调用
recvfrom()一直等待下去，看上去好像客户程序没有反应一样。
(4)向服务程序发送数据，因为使用连接的 UDP，所以使用 write()来替代 sendto()。这里的
数据直接从标准输入读取用户输入。
(5)接收服务程序发回的数据，同样使用 read()来替代 recvfrom()。
(6)处理接收到的数据，这里是直接输出到标准输出上。
2、udpclient.c 程序内容：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8888
void do_cli(FILE *fp, int sockfd, struct sockaddr *pservaddr, socklen_t servlen)
{
int n;
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE + 1];
/* connect to server */
if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)pservaddr, servlen) == -1)
{
perror("connect error");
exit(1);
}
while(fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL)
{
/* read a line and send to server */
write(sockfd, sendline, strlen(sendline));
/* receive data from server */
n = read(sockfd, recvline, MAXLINE);
if(n == -1)
{
perror("read error");
exit(1);
}
recvline[n] = 0; /* terminate string */
fputs(recvline, stdout);
}
}
int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in srvaddr;
/* check args */
if(argc != 2)
{
printf("usage: udpclient \n");
exit(1);
}
/* init servaddr */
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0)
{
printf("[%s] is not a valid IPaddress\n", argv[1]);
exit(1);
}
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
do_cli(stdin, sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
return 0;
}
五、运行例子程序
1、编译例子程序
使用如下命令来编译例子程序：
gcc -Wall -o udpserv udpserv.c
gcc -Wall -o udpclient udpclient.c
编译完成生成了 udpserv 和 udpclient 两个可执行程序。
2、运行 UDP Server 程序
执行./udpserv &命令来启动服务程序。我们可以使用 netstat -ln 命令来观察服务程序绑
定的 IP 地址和端口，部分输出信息如下：
Active Internet connections (only servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State
tcp 0 0 0.0.0.0:32768 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 0 0 0.0.0.0:6000 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 0 0 127.0.0.1:631 0.0.0.0:* LISTEN
udp 0 0 0.0.0.0:32768 0.0.0.0:*
udp 0 0 0.0.0.0:8888 0.0.0.0:*
udp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:*
udp 0 0 0.0.0.0:882 0.0.0.0:*
可以看到 udp 处有“0.0.0.0:8888”的内容，说明服务程序已经正常运行，可以接收主机上
任何 IP 地址且端口为 8888 的数据。
如果这时再执行./udpserv &命令，就会看到如下信息：
bind error: Address already in use
说明已经有一个服务程序在运行了。
3、运行 UDP Client 程序
执行./udpclient 127.0.0.1 命令来启动客户程序，使用 127.0.0.1 来连接服务程序，执行
效果如下：
Hello, World!
Hello, World!
this is a test
this is a test
^d
输入的数据都正确从服务程序返回了，按 ctrl+d 可以结束输入，退出程序。
如果服务程序没有启动，而执行客户程序，就会看到如下信息：
$ ./udpclient 127.0.0.1
test
read error: Connection refused
说明指定的 IP 地址和端口没有服务程序绑定，客户程序就退出了。这就是使用 connect()的
好处，注意，这里错误信息是在向服务程序发送数据后收到的，而不是在调用 connect()时。
如果你使用 tcpdump 程序来抓包，会发现收到的是 ICMP 的错误信息。
                                UDP 的几个特性
(1) UDP 是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地
去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP 传送数据的速
度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP 把
每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
(2) 由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台
服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。
(3) UDP 信息包的标题很短，只有 8 个字节，相对于 TCP 的 20 个字节信息包的额外开销很小。
(4) 吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终
端主机性能的限制。
虽然 UDP 是一个不可靠的协议，但它是分发信息的一个理想协议。例如，在屏幕上报告股票
市场、在屏幕上显示航空信息等等。UDP 也用在路由信息协议 RIP(Routing Information
Protocol)中修改路由表。在这些应用场合下，如果有一个消息丢失，在几秒之后另一个新
的消息就会替换它。UDP 广泛用在多媒体应用中，例如，Progressive Networks 公司开发的
RealAudio 软件，它是在因特网上把预先录制的或者现场音乐实时传送给客户机的一种软件，
该软件使用的 RealAudio audio-on-demand protocol 协议就是运行在 UDP 之上的协议，大
多数因特网电话软件产品也都运行在 UDP 之上。
                           UDP 协议的标题结构
  UDP 信息包由 UDP 标题和数据组成。UDP 的标题结构如图 15-21 所示,
        它由 5 个域组成：源端端口(SourcePort)、目的地端口
      (DestinationPort)、用户数据包的长度(Length)和检查和
（Checksum)。其中，前 4 个域组成 UDP 标题(UDPheader)，每个域由
 4 个字节组成；检查和域占据 2 个字节，它用来检测传输过程中是否
      出现了错误；用户数据包的长度包括所有 5 个域的字节数。
                             UDP 信息包的标题结构
检查和的详细计算可在 RFC1071 中找到，现举一例说明使用检查和检测错误的道理。例如，
假设从源端 A 要发送下列 3 个 16 位的二进制数：word1，word2 和 word3 到终端 B，检查和计
算如下：
word1             0110011001100110
word2             0101010101010101
word3             0000111100001111
sum=word1+ word2+ 1100101011001010
word3
检查和(sum 的反码) 0011010100110101
从发送端发出的 4 个(word1，2，3 以及检查和)16 位二进制数之和为 1111111111111111，如
果接收端收到的这 4 个 16 位二进制数之和也是全“1”，就认为传输过程中没有出差错。
许多链路层协议都提供错误检查，包括流行的以太网协议，读者也许想知道为什么 UDP 也要
提供检查和。其原因是链路层以下的协议在源端和终端之间的某些通道可能不提供错误检测。
虽然 UDP 提供有错误检测，但检测到错误时，UDP 不做错误校正，只是简单地把损坏的消息
段扔掉，或者给应用程序提供警告信息。
读者也可能会问，收发两端的两个进程是否有可能通过 UDP 提供可靠的数据传输？答案是可
以的。但必需要把确认和重传措施加到应用程序中，应用程序不能指望 UDP 来提供可靠的数
据传输。