UDP 单播，广播，多播 数据包传输处理

UDP 单播，广播，多播 数据报传输处理

1. 单播

  ① 简介

    主机之间一对一的通讯模式，网络中的交换机和路由器对数据只进行转发不进行复制。如果10个客户机需要相同的数据，则服务器需要逐一传送，重复10次相同的工作。但由于其能够针对每个客户的及时响应，所以现在的网页浏览全部都是采用单播模式，具体的说就是IP单播协议。网络中的路由器和交换机根据其目标地址选择传输路径，将IP单播数据传送到其指定的目的地。

    单播的优点：
     1）服务器及时响应客户机的请求
     2）服务器针对每个客户不通的请求发送不通的数据，容易实现个性化服务。

    单播的缺点：
     1）服务器针对每个客户机发送数据流，服务器流量＝客户机数量×客户机流量；在客户数量大、每个客户机流量大的流媒体应用中服务器不堪重负。
     2）现有的网络带宽是金字塔结构，城际省际主干带宽仅仅相当于其所有用户带宽之和的5％。如果全部使用单播协议，将造成网络主干不堪重负。现在的P2P应用就已经使主干经常阻塞。而将主干扩展20倍几乎是不可能。

 ② IPv4 映射 以太网地址
    1）当服务器和客户端主机位于同一子网时，映射的以太网地址为目的IP主机的实际以太网地址（通过arp获知）。
    2）当服务器和客户端主机位于不同子网是，映射的以太网地址为源IP主机所在子网的网关设备的以太网地址(路由器等)。
 
 ③ 数据报传输处理
    1）源IP主机将单播目的IP映射为一个单播以太网地址，并将以太网首部，IP首部，UDP首部，UDP数据组成一个UDP数据报，以以太网帧的形式发送到其所在子网中。
    2）子网中的其他主机的以太网接口接收到该以太网帧时，先对比帧中的目的以太网地址与自己的以太网地址对比，如果相同，则读入整个帧并传入IP层继续处理，如果不同，则忽略该以太帧网帧。
    3）在IP层处理该分组，比较该分组的目的IP地址和自己所有的IP地址是否存在相同的，如果存在，则继续传入到UDP层处理，如果不存在，则丢弃该分组。
    4）在UDP层处理该分组，比较该分组的目的端口和自己所有绑定的端口是否存在相同的，如果存在，则继续传入到绑定进程处理，如果不存在，则丢弃该分组。
     

2. 广播

  ① 简介

    主机之间一对所有的通讯模式，网络对其中每一台主机发出的信号都进行无条件复制并转发，所有主机都可以接收到所有信息（不管你是否需要），由于其不用路径选择，所以其网络成本可以很低廉。有线电视网就是典型的广播型网络，我们的电视机实际上是接受到所有频道的信号，但只将一个频道的信号还原成画面。在数据网络中也允许广播的存在，但其被限制在二层交换机的局域网范围内，禁止广播数据穿过路由器，防止广播数据影响大面积的主机。
    广播的优点：
     1）网络设备简单，维护简单，布网成本低廉
     2）由于服务器不用向每个客户机单独发送数据，所以服务器流量负载极低。

    广播的缺点：
     1）无法针对每个客户的要求和时间及时提供个性化服务。
     2）网络允许服务器提供数据的带宽有限，客户端的最大带宽＝服务总带宽。例如有线电视的客户端的线路支持100个频道（如果采用数字压缩技术，理论上可以提供500个频道），即使服务商有更大的财力配置更多的发送设备、改成光纤主干，也无法超过此极限。也就是说无法向众多客户提供更多样化、更加个性化的服务。
     3）广播禁止允许在Internet宽带网上传输。

 ② IPv4 映射 以太网地址
    1）因为目的IP地址为子网的广播地址，所以映射的以太网地址为48位全为1的以太网地址：ff:ff:ff:ff:ff:ff。
 
 ③ 数据报传输处理
    1）源IP主机将广播目的IP映射为一个广播以太网地址(ff:ff:ff:ff:ff:ff)，并将以太网首部，IP首部，UDP首部，UDP数据组成一个UDP数据报，以以太网帧的形式发送到其所在子网中。
    2）子网中其他主机的以太网接口接收到该以太网帧时，先将帧中的目的以太网地址与自己的以太网地址对比，因为每个以太网接口都接收目的以太网地址为ff:ff:ff:ff:ff:ff地址的以太网帧，所以读入整个帧并传入到IP层继续处理。
    3）在IP层处理该分组，比较该分组的目的IP地址和主机所有的IP地址是否存在相同的，因为子网主机必包含子网广播IP地址，所以一定存在，继续传入到UDP层处理。
    4）在UDP层处理该分组，比较该分组的目的端口和主机所有绑定的端口是否存在相同的，如果存在，则继续传入到绑定进程处理，如果不存在，则丢弃该分组。

   

④ 特殊的广播地址
    1）255.255.255.255： 受限广播地址。路由器从不转发目的地址为255.255.255.255的IP数据报。

3. 多播(组播)

  ① 简介
    主机之间一对一组的通讯模式，也就是加入了同一个组的主机可以接受到此组内的所有数据，网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组，网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据，即只将组内数据传输给那些加入组的主机。这样既能一次将数据传输给多个有需要（加入组）的主机，又能保证不影响其他不需要（未加入组）的主机的其他通讯。
    组播的优点：
     1）需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流，节省了服务器的负载。具备广播所具备的优点。
     2）由于组播协议是根据接受者的需要对数据流进行复制转发，所以服务端的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制。IP协议允许有2亿6千多万个组播，所以其提供的服务可以非常丰富。
     3）此协议和单播协议一样允许在Internet宽带网上传输。

    组播的缺点：
     1）与单播协议相比没有纠错机制，发生丢包错包后难以弥补，但可以通过一定的容错机制和QOS加以弥补。
     2）现行网络虽然都支持组播的传输，但在客户认证、QOS等方面还需要完善，这些缺点在理论上都有成熟的解决方案，只是需要逐步推广应用到现存网络当中。

 ② IPv4 映射 以太网地址
    1）以太网地址的高24位总是为：01:00:5e。
    2）下一位(高序第25位/第低序24位)总是为：0。
    3）低序23位：复制多播组IP的低序23位。

    值得注意的是：因为多播组IP的高序5为在映射以太网地址时被忽略，所以32个多播地址将被映射为同一个以太网地址，映射关系不是一对一。
 
 ③ 数据报传输处理
    1）源IP主机将多播目的IP映射为一个多播以太网地址，并将以太网首部，IP首部，UDP首部，UDP数据组成一个UDP数据报，以以太网帧的形式发送到其所在子网中。
    2）子网中的其他主机的以太网接口接收到该以太网帧时，先将该以太网帧中的目的以太网地址与自己的以太网地址对比，如果之前加入了某一多播组，以太网接口将标识接收目的以太网地址为该多播组IP映射的以太网地址的以太网帧，对比时将存在相同的以太网地址，继而读入整个帧并传入到IP层继续处理；如果没有加入，则不存在，忽略该以太帧网帧。
    3）在IP层处理该分组，比较该分组的目的IP地址和主机所有的IP地址是否存在相同的，如果之前加入了某一多播组，IP层将标识接收该多播组的数据分组，对比时将存在相同的IP地址，继续传入到UDP层处理。；如果没有加入，则不存在，将丢弃该分组。
    4）在UDP层处理该分组，比较该分组的目的端口和主机所有的绑定的端口是否存在相同的，如果存在，则继续传入到绑定进程处理，如果不存在，则丢弃该分组。
     

④ 特殊的多播组IP
    1）224.0.0.1： 所有主机组。子网上所有具有多播能力的节点（主机，路由器，打印机等）必须在所有具有多播能力的接口上加入改组。
    2）224.0.0.2： 所有路由组。子网上所有多播路由器必须在所有具有多播能力的接口上加入改组。