UDP ¶

UDP数据报 ¶

UDP概述 ¶

UDP仅在IP数据报服务之上增加了复用/分用以及差错检测功能。若开发者选择使用UDP而非TCP，则应用程序几乎直接与IP进行交互。

UDP的特点 ¶

UDP 无需建立连接。因此UDP不会引入建立连接的时延。
无连接状态。TCP需要在端系统中维护连接状态，包括接收和发送缓存、拥塞控制参数和序号与确认号的参数；而UDP既不需要维护连接状态，又不跟踪这些参数。因此在某些专用服务器使用UDP时，一般都能支持更多的活跃用户。
UDP 的首部开销小，只有8个字节，而TCP的首部最小为20个字节。
UDP 没有拥塞控制，因此网络中的拥塞不会影响UDP的发送速率。某些实时应用要求源主机以稳定的速率发送数据，能容忍一些数据的丢失，但不允许有太大的延迟。
UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

UDP常用于一次性传输较少数据的网络应用，如DNS、SNMP等，对于这些应用来说，若采用TCP则会带来不小建立和维护连接的开销；UDP也常用于多媒体应用，如IP电话、视频会议、流媒体等，因为这些应用需要实时性，不能容忍TCP拥塞控制带来的延迟。

UDP不保证可靠交付，但这并不意味着应用程序对数据的要求是不可靠的。若采用UDP，所有维护可靠性的工作可由用户在应用层完成，开发者可根据需求自由选择可靠机制的实现方式。

UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界，即一次发送一个完整的报文。在UDP中，报文是不可分割的，是UDP数据报处理的最小单位。因此，应用程序必须选择合适大小的报文，若报文太长，则UDP将其交付给IP后，可能导致分片；若报文太短，则会使IP数据报的首部相对过大，二者都会影响IP层的效率。

UDP的首部格式 ¶

UDP的首部十分简单，只有 \(8B\)，由 \(4\) 个字段组成，每个字段都是 \(2B\)：

字段	说明
源端口	源端口号，在需要对方回信是选用，不需要时可用全0
目的端口	目的端口号，在终点交付报文时必须使用到
长度	首部 + 数据，单位字节，最小值为8（仅有首部）
校验和	可选字段，用于差错检测，不使用时置为0

当传输层从IP层收到UDP数据报时，将根据首部中的目的端口，把UDP数据报通过相应的端口交付给上层的应用进程。

若接收方UDP发现收到的报文中的目的端口号不正确（不存在对应于端口号的应用进程），则丢弃该报文，并由ICMP发送“端口不可达”差错报文至源主机。这也是traceroute得以实现的基础原理之一。

UDP校验 ¶

伪首部 ¶

在计算校验和时，要在UDP数据报之前添加 \(12B\) 的伪首部。其格式如下图：

伪首部并不是真正的 UDP 首部，仅在发送方和接收方计算/验证校验和时，临时拼接在 UDP 数据报之前参与运算，不会在网络中传输。

伪首部的作用是将源 IP、目的 IP、协议号、UDP 长度等信息纳入校验和计算，以便检测 IP 层错送、协议混淆等问题，并保证 UDP 报文的完整性。

伪首部既不向下传递，也不向上交付，仅用于校验和的计算与验证。

UDP校验和的计算 ¶

UDP 校验和采用与 IP 首部校验和相同的 16 位反码求和（one's complement sum），检验范围为 伪首部 + UDP 首部 + 数据。

发送方计算步骤 ¶

根据 IP 首部中的源/目的 IP 地址，以及 UDP 首部中的长度字段，构造伪首部。
将 UDP 首部中的 校验和字段置 0。
若 UDP 数据部分的字节数为奇数，在数据末尾临时 补 1 个 0 字节（仅参与计算，不随报文发送）。
将伪首部、UDP 首部、数据按顺序划分为若干 16 位字（高位在前）。
对所有 16 位字做 反码求和：按二进制加法相加，最高位产生的进位回卷加到最低位。
将求和结果 按位取反，写入校验和字段后发送。

全 0 与全 1

若按上述步骤算出的校验和恰好为全 0，则发送时写入 全 1（FFFF），因为在反码运算中全 0 与全 1 表示同一数值。若发送方不计算校验和，则校验和字段保持为 0（IPv4 下接收方可跳过检验；IPv6 中 UDP 校验和必须计算）。

手算示例

设某主机向局域网内 DNS 服务器发送一条极短的 UDP 报文，各字段如下：

部分	取值（十六进制）
源 IP	`C0 A8 00 01`（192.168.0.1）
目的 IP	`C0 A8 00 02`（192.168.0.2）
协议	UDP，填 `00 11`
UDP 长度	`00 0A`（首部 8B + 数据 2B）
源端口 / 目的端口	`30 39` / `00 35`
校验和（计算前）	`00 00`
数据	`41 42`（ASCII `"AB"`，偶数字节，无需补 0）

第 1 步：按 16 位字划分（高位字节在前）：

伪首部：C0A8  0001  C0A8  0002  0000  0011  000A
UDP：  3039  0035  000A  0000  4142

第 2 步：反码求和（进位回卷），逐对相加：

C0A8 + 0001 = C0A9
C0A9 + C0A8 = 18151 → 回卷得 8152
8152 + 0002 = 8154 → + 0000 = 8154 → + 0011 = 8165 → + 000A = 816F
816F + 3039 = B1A8 → + 0035 = B1DD → + 000A = B1E7 → + 0000 = B1E7
B1E7 + 4142 = F329

第 3 步：对 F329 按位取反 → 校验和为 0CD6，写入 UDP 首部后发送。

接收方验证：用同样方式求和，但校验和字段填 0CD6（不再置 0）。

接收方检验 ¶

接收方用同样方式构造伪首部，并将收到的 完整 UDP 数据报（校验和字段保持原值）与伪首部一起参与反码求和。

若最终结果为 全 1（FFFF），认为无差错；
否则认为出错，丢弃该 UDP 用户数据报（408 考点：UDP 出错不重传）。

手算示例

以上面发送方发出的报文为例，192.168.0.2 收到同一 UDP 报文后，从 IP 首部 读出源/目的 IP，从 UDP 首部 读出长度与校验和，在本地重新构造伪首部，再检验。

与发送方的区别	说明
伪首部	字段相同，仍由 IP 地址、协议号 `11`、UDP 长度 `000A` 拼出
校验和字段	保持收到的 `0CD6`，不能置 0
最后一步	不再取反，只看求和结果是否为 `FFFF`

第 1 步：按 16 位字划分（校验和字段为 0CD6）：

伪首部：C0A8  0001  C0A8  0002  0000  0011  000A
UDP：  3039  0035  000A  0CD6  4142

第 2 步：反码求和（进位回卷）：

（伪首部部分与发送方相同，累加至 816F）
816F + 3039 = B1A8 → + 0035 = B1DD → + 000A = B1E7
B1E7 + 0CD6 = BEBD → + 4142 = FFFF

第 3 步：结果为 FFFF → 认为无差错，去掉 UDP 首部后把数据 "AB" 交付给目的端口对应的应用进程。

若传输中某比特出错（例如数据变为 41 43），求和结果将 不是 FFFF，接收方 UDP 直接丢弃该报文。

与 IP 首部校验和的对比 ¶

对比项	IP 首部校验和	UDP 校验和
检验范围	仅 IP 首部	伪首部 + UDP 首部 + 数据
是否传输伪首部	—	否，仅本地计算时使用
出错处理	丢弃 IP 数据报	丢弃 UDP 用户数据报

408 常考

伪首部中的 UDP 长度 与 UDP 首部中的长度字段取值相同，均为「首部 + 数据」的字节数。
长度在计算校验和之前即可由发送方确定，并非「事先不知道长度才需要伪首部」。
伪首部的作用是把 IP 层信息纳入检验，防止 IP 错送、协议混淆 等错误。