深入的理解UDP编程

UDP是User Datagram Protocol(用户数据报协议)的缩写，它是一个简单的协议，简单到UDP规范RFC0768只有区区3页。

什么是UDP?

UDP是User Datagram Protocol(用户数据报协议)的缩写，它是一个简单的协议，简单到UDP规范RFC0768只有区区3页。

UDP是工作在IP层之上的传输层协议，UDP对IP主要有两个扩展：

扩展出端口号使得IP数据报可以多路分发到用户进程。
扩展出校验和提供网络传输过程中数据差错的检验。
IP提供了一种尽力而为、无连接的数据报交付服务。IP基于IP地址实现路由和分组转发，可以将一个IP数据报从网络的一台主机传送到另一台主机，IP地址决定IP数据报将被送往哪个主机。所以，IP提供主机到主机的数据报传输服务。

IP数据报到达目的主机后，内核层实现的IP模块，会负责接收网卡上的IP数据报，但主机上通常会同时运行多个进程，IP数据报应该交给哪个进程去处理呢?IP搞不定。

端口号(位于UDP首部)决定数据报交给主机上的哪个进程处理。所以，UDP为端主机上运行的应用程序提供了端到端服务。

UDP的特征

UDP是无连接的，通信之前无须建连便可直接发送数据报，而TCP是面向连接的。
UDP不提供差错纠正，但UDP提供差错检测(端到端校验和)。
UDP不做重复消除。
UDP不做流量控制。
UDP不做拥塞控制，没有协议机制防止高速UDP流量对其他网络用户的消极影响。
UDP不保证顺序，数据报递交应用的顺序。
UDP不可靠，UDP只负责把应用程序传给IP层的数据发送出去，并不能保证数据报到达目的地，可靠传递需要应用程序去实现。
UDP支持组播交付。
UDP是一种保留消息边界的传输层协议。

消息边界

应用程序每请求一次UDP输出将产生一个UDP数据报，从而发送一个IP数据报，而接收端每请求一次UDP接收都将接收一个完整的UDP报(如果有)，这跟面向数据流的TCP不一样。

假设主机A给主机B发送2次数据，第一次4字节“abcd”，第二次3字节“xyz”，而主机B接收2次，分别返回“abcd”、“xyz”两个消息，也可以返回“xyz”，“abcd”两个消息(顺序不重要)，那么这就是保留消息边界。

UDP是保留消息边界的传输层协议，利用UDP通信的应用程序每次发送操作会产生一个IP数据报(不考虑分片)，这就约束每次发送的数据量不能大于MTU(最大传输单元)，接收端每次接收都会返回一个个UDP数据报的完整负载，不会出现返回半个数据报负载的情况。

而TCP是不保留消息边界的流协议，发送端调用发送的次数和每次发送的数据量，跟接收端调用接收的次数和每次接收的数据量，没有任何对应关系，所以使用TCP的应用程序需要去处理消息边界。

UDP数据报封装格式

IPv4协议(Protocol)字段用值17来标识UDP，UDP数据报头部通常是8字节，IPv4头部之后紧接着是UDP头部，然后是UDP数据Payload(如有)。

IPv4封装包对应的UDP头部由源端口号、目的端口号、长度、校验和组成，每个字段都是2字节。
1、端口号，纯抽象的标识，它不跟任何物理实体相关
端口号用于帮助协议分辨发送和接收进程。接收端的内核层从网卡接收到IP数据报之后，识别出UDP数据报(IP数据报头部协议字段值=17)之后，会根据UDP头部的目的端口号，映射到对应进程，把UDP数据报交给对应的进程去处理，这个映射关系由系统内核管理维护。

目的端口号是必须的，但源端口号是可选的，如果数据报发送者不需要对方回复的话，则源端口号可被设置为0。

因为IP层根据IP头部的协议类型字段，将进入的IP数据报，分发到特定的传输协议(TCP或UDP等)，到了传输协议层，再根据端口号将协议数据分发到不同进程。所以，端口号是协议独立的，不同协议的相同端口号并不会引起分发混乱。

比如，一台机器上的两个网络服务进程使用相同的IP地址和端口号，但一个使用TCP协议，另一个使用UDP协议，这样是没有问题。

2、长度字段，是以字节为单位的UDP头部和UDP数据的总长度，因为UDP头部长度为8，且空数据的UDP数据报是允许的，这意味着该长度字段值最小为8。UDP长度值是冗余的，因为可以通过IP数据报的总长度减去IP首部的长度推导出来。

3、校验和，覆盖了UDP首部、UDP数据和一个伪首部，由初始发送方计算，由最终目的方校验，用于判断数据报在网络传输过程中是否出错，比如某一位从1变成了0。

使用UDP的应用程序如何实现可靠传输

众所周知，UDP不可靠、不保证顺序。

1、什么叫不可靠?A给B发送一个UDP数据报，该UDP数据报不一定被正确交付给接收端B，但因为网络质量等各种原因，可能丢包，IP数据报是尽力而为的交付，一切随缘。

有没有办法保证，发送的UDP一定到达目的端?Sorry，保证不了，做不到。

那TCP提供的可靠传输是什么意思?TCP提供的可靠传输并不是指不丢包，因为TCP也依赖IP(IP不可靠)实现数据报交付，TCP的可靠性是指丢掉的包会被重传，直到被正确投递，才会继续传输下一个数据报。

那TCP是怎么做到可靠传输的呢?很简单，收报确认(ack)+丢包重传。所以UDP如果要提供可靠传输，也可以参考TCP的实现机制，只是TCP是实现在内核层，而基于UDP的应用程序，可以把可靠传输做到应用层。要做收报确认+丢包重传，需要一些额外的信息，比如包序列号之类，可以放到Payload，约定好这些额外信息在Payload中的结构布局即可。

2、什么叫不保证顺序?A给B发送两个UDP数据报，两个UDP数据报会被封装为两个IP数据报，通过IP协议传输，因为两个IP数据报独立路由，所以哪个先到?不一定，看心情。

有没有办法保证，UDP数据报按照发送端发送的时间顺序到达目的端?也Sorry，办不到。

所以，TCP提供的顺序性，其实只是在接收端对IP数据报根据发送顺序重新排序，很显然，UDP要支持重排序，也需要一些额外信息，也只能通过payload携带，而不能像TCP一样(TCP首部的一些字段用于接收端重排序)。

综上，UDP只提供最简单端主机上应用程序的端到端服务，其他的特性，如果要提供，那请参考TCP的思路去实现吧。

这是有好处的：因为简单，所以开销很小。而某些应用场景，可以容忍丢包、乱序，UDP就是很适合的。保时捷是很好，但拉砖还是用拖拉机吧。

UDP Socket网络编程的API不多，socket()用于创建套接字，close()用于关闭套接字，sendto()用于发送数据，recvfrom()用于接收数据。

bind()顾名思义是绑定，TCP可以绑定，UDP也可以，bind用于UDP等于告诉内核：这个套接字跟网络远端的一个

而没有bind之前，只能通过sendto()接口(通过参数指定目的地)。UDP套接字recv()返回的是UDP数据报的数据部分(Payload)，不包括UDP数据报首部，这是因为UDP首部的字段用于分发或者校验，不需要透传给应用程序。

使用UDP套接字开发的网络应用Server/Client，网络IO相关操作和流程如下图所示：