UDP协议

在计算机网络中，UDP 的全称是用户数据报协议（User Datagram Protocol）。UDP 协议由 David P. Reed 于 1980 年开发。它在 RFC 768 中定义，是 TCP/IP 协议的一部分，因此是互联网上的标准协议。UDP 协议允许计算机应用程序以数据报的形式将消息从一台计算机发送到另一台计算机，通过 互联网协议 (IP) 网络。UDP 是 TCP 协议（传输控制协议）的替代通信协议。与 TCP 一样，UDP 提供了一组规则，用于管理数据如何在互联网上传输。UDP 的工作方式是将数据封装到数据包中，并为数据包提供自己的头部信息。然后，将此 UDP 数据包封装到 IP 数据包中，并发送到目的地。TCP 和 UDP 协议都通过互联网协议网络发送数据，因此也被称为 TCP/IP 和 UDP/IP。这两种协议之间存在许多差异。UDP 实现的是进程到进程通信，而 TCP 提供的是主机到主机通信。由于 UDP 以数据报的形式发送消息，因此它被认为是“尽力而为”的通信模式。 TCP 发送单个数据包，因此它是一种可靠的传输介质。另一个区别是 TCP 是面向连接的协议，而 UDP 是无连接的协议，因为它在传输数据时不需要任何虚拟电路。

UDP 还提供不同的端口号来区分不同的用户请求，并提供校验和功能来验证是否收到了完整的数据；而 IP 层不提供这两项服务。

UDP 协议的特点

UDP 协议的特点如下：

• 传输层协议

UDP 是最简单的 传输层通信协议。它包含最少的通信机制。它被认为是一个不可靠的协议，并且基于尽力而为的传输服务。UDP 不提供确认机制，这意味着接收方不会发送已收到数据包的确认，发送方也不会等待其发送的数据包的确认。

• 无连接

UDP 是一个无连接协议，因为它在传输数据时不会创建虚拟路径。它不使用虚拟路径，因此数据包在发送方和接收方之间通过不同的路径发送，这会导致数据包丢失或乱序接收。

不保证数据按顺序交付。

在 UDP 的情况下，数据报是按某个顺序发送的，但不能保证以相同的顺序接收，因为数据报没有编号。

• 端口

UDP 协议使用不同的端口号，以便数据可以发送到正确的目的地。端口号定义在 0 到 1023 之间。

• 传输速度更快

UDP 能够实现更快的传输，因为它是一个无连接协议，即传输数据不需要虚拟路径。但单个数据包有丢失的可能，这会影响传输质量。另一方面，如果在 TCP 连接中数据包丢失，该数据包将被重传，因此它保证了数据包的交付。

• 确认机制

UDP 没有确认机制，即 UDP 发送方和 UDP 接收方之间没有握手。如果消息在 TCP 中发送，接收方会确认“我准备好了”，然后发送方发送数据。在 TCP 中，发送方和接收方之间会发生握手，而在 UDP 中，发送方和接收方之间没有握手。

• 报文段独立处理。

每个 UDP 报文段都独立于其他报文段进行处理，因为每个报文段到达目的地需要经过不同的路径。UDP 报文段可能丢失或乱序到达目的地，因为发送方和接收方之间没有连接设置。

• 无状态

它是一个无状态协议，意味着发送方不会收到已发送数据包的确认。

为什么我们需要 UDP 协议？

众所周知，UDP 是一个不可靠的协议，但在某些情况下我们仍然需要 UDP 协议。当数据包需要大量带宽以及实际数据时，就会部署 UDP。例如，在视频流中，确认数千个数据包会很麻烦，并且会浪费大量带宽。在视频流的情况下，丢失一些数据包不会造成问题，也可以忽略。

UDP 报头格式

在 UDP 中，报头大小为 8 字节，数据包大小最多为 65,535 字节。但这个数据包大小是不可能的，因为数据需要封装在 IP 数据报中，而 IP 数据包的报头大小可以为 20 字节；因此，UDP 的最大值将是 65,535 减去 20。UDP 数据包可以携带的数据大小将是 65,535 减去 28，因为 UDP 数据包报头需要 8 字节，IP 报头需要 20 字节。

UDP 报头包含四个字段

• 源端口号：这是 16 位信息，用于标识哪个端口将发送数据包。
• 目标端口号：它标识哪个端口将接受信息。这是 16 位信息，用于识别目标机器上的应用程序级服务。
• 长度：这是一个 16 位字段，指定 UDP 数据包的整个长度，包括报头。由于报头大小为 8 字节，因此最小值将为 8 字节。
• 校验和：这是一个 16 位字段，是一个可选字段。此校验和字段检查信息是否准确，因为信息在传输过程中可能会损坏。这是一个可选字段，这意味着应用程序是否要写入校验和取决于应用程序。如果它不想写入校验和，则所有 16 位都为零；否则，它会写入校验和。在 UDP 中，校验和字段应用于整个数据包，即报头和数据部分，而在 IP 中，校验和字段仅应用于报头字段。

UDP 协议的排队概念

在 UDP 协议中，使用数字来区分服务器和客户端上的不同进程。我们知道 UDP 提供进程到进程的通信。客户端生成需要服务的进程，而服务器生成提供服务的进程。这两种进程都有队列，即每个进程有两个队列。第一个队列是接收消息的输入队列，第二个队列是发送消息的输出队列。当进程运行时，队列就会起作用。如果进程终止，队列也会被销毁。

UDP 通过以下组件处理 UDP 数据包的发送和接收

• 输入队列：UDP 数据包为每个进程使用一组队列。
• 输入模块：此模块从 IP 获取用户数据报，然后查找同一端口的控制块表中的信息。如果在具有与用户数据报相同端口的控制块表中找到条目，则将数据入队。
• 控制块模块：它管理控制块表。
• 控制块表：控制块表包含已打开端口的条目。
• 输出模块：输出模块创建并发送用户数据报。

多个进程希望使用 UDP 的服务。UDP 对进程进行多路复用和解复用，以便多个进程可以在单个主机上运行。

局限性

• 它提供不可靠的连接传输服务。它除了提供进程到进程通信之外，不提供任何 IP 服务。
• UDP 消息可能会丢失、延迟、重复或乱序。
• 它不提供可靠的传输交付服务。它不提供任何确认或流量控制机制。但是，它在一定程度上提供错误控制。

优点

• 它产生的开销极小。