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  • UDP协议 浅谈理解

    2020-03-06 16:47:25
    UDP包头 无论应用程序写的使用 TCP 传数据,还是 UDP 传数据,都要监听一个端口。正是这个端口, 用来区分应用程序,要不说端口不能冲突呢。两个应用监听一个端口,到时候包给谁呀?所以按理说,无论是 TCP 还是 UDP...

    UDP包头

    无论应用程序写的使用 TCP 传数据,还是 UDP 传数据,都要监听一个端口。正是这个端口, 用来区分应用程序,要不说端口不能冲突呢。两个应用监听一个端口,到时候包给谁呀?所以按理说,无论是 TCP 还是 UDP 包头里面应该有端口号,根据端口号,将数据交给相应的应用 程序。

    UDP格式:

    UDP图示

    UDP的三大特点

    (下面将说法更人性化了)
    a. 沟通简单,不需要处理大量的数据结构、处理逻辑、包头字段。相信网络通路默认就是很容易送达的,不容易被丢弃
    b. 轻信他人,它不会建立连接,虽然有端口号,但是监听在这个地方,谁都能传数据给它,他也可以传数据给别人,也可以同时给多人传数据
    c. **愣头青,做事不懂权变。**它不会根据网络情况进行发包的拥塞控制,无论网络丢包如何,它显得“不知道”。
    ps:(如果不清楚上面的举例,可以对比看TCP,这就容易理解了)

    UDP的三大使用场景

    1. 需要资源少,在网络情况比较好的内网,或者对于丢包不敏感的应用。这很好理解,就像
      如果你是领导,你会让你们组刚毕业的小朋友去做一些没有那么难的项目,打一些没有那么难的
      客户,或者做一些失败了也能忍受的实验性项目。(DHCP就是基于UDP协议的,一般的获取IP地址都是内网请求。)
    2. 不需要一对一沟通,建立连接,而是可以广播的应用。(DHCP就是一种广播形式,基于UDP协议;
      VXLAN协议,是需要用到组播,也是基于UDP的
    3. 需要处理速度快,时延低,可以容忍少数丢包,但是要求即便网络拥塞,也毫不退缩,一
      往无前的时候。(不会像TCP一样,需要考虑很多问题,这样对网络要求极高,)

    基于UDP使用的几个例子

    1. 网页或者 APP 的访问

    原来访问网页和手机 APP 都是基于 HTTP 协议的。HTTP 协议是基于 TCP 的,建立连接都需要 多次交互,对于时延比较大的目前主流的移动互联网来讲,建立一次连接需要的时间会比较长, 然而既然是移动中,TCP 可能还会断了重连,也是很耗时的。而且目前的 HTTP 协议,往往采 取多个数据通道共享一个连接的情况,这样本来为了加快传输速度,但是 TCP 的严格顺序策略 使得哪怕共享通道,前一个不来,后一个和前一个即便没关系,也要等着,时延也会加大。
    而QUIC(全称Quick UDP Internet Connections,快速 UDP 互联网连接)是 Google 提出的 一种基于 UDP 改进的通信协议,其目的是降低网络通信的延迟,提供更好的用户互动体验。
    QUIC 在应用层上,会自己实现快速连接建立、减少重传时延,自适应拥塞控制,是应用层的代表。

    2. 流媒体协议

    现在直播比较火,直播协议多使用 RTMP,而这个 RTMP 协 议也是基于 TCP 的。TCP 的严格顺序传输要保证前一个收到了,下一个才能确认,如果前一个 收不到,下一个就算包已经收到了,在缓存里面,也需要等着。对于直播来讲,这显然是不合适 的,因为老的视频帧丢了其实也就丢了,就算再传过来用户也不在意了,他们要看新的了,如果 老是没来就等着,卡顿了,新的也看不了,那就会丢失客户,所以直播,实时性比较比较重要, 宁可丢包,也不要卡顿的。
    另外,对于丢包,其实对于视频播放来讲,有的包可以丢,有的包不能丢,因为视频的连续帧里 面,有的帧重要,有的不重要,如果必须要丢包,隔几个帧丢一个,其实看视频的人不会感知, 但是如果连续丢帧,就会感知了,因而在网络不好的情况下,应用希望选择性的丢帧。
    还有就是当网络不好的时候,TCP 协议会主动降低发送速度,这对本来当时就卡的看视频来讲 是要命的,应该应用层马上重传,而不是主动让步。因而,很多直播应用,都基于 UDP 实现了 自己的视频传输协议。

    3. 实时游戏

    游戏有一个特点,就是实时性比较高。快一秒你干掉别人,慢一秒你被别人爆头,所以很多职业 玩家会买非常专业的鼠标和键盘,争分夺秒。
    因而,实时游戏中客户端和服务端要建立长连接,来保证实时传输。但是游戏玩家很多,服务器 却不多。由于维护 TCP 连接需要在内核维护一些数据结构,因而一台机器能够支撑的 TCP 连接 数目是有限的,然后 UDP 由于是没有连接的,在异步 IO 机制引入之前,常常是应对海量客户 端连接的策略。
    另外还是 TCP 的强顺序问题,对战的游戏,对网络的要求很简单,玩家通过客户端发送给服务 器鼠标和键盘行走的位置,服务器会处理每个用户发送过来的所有场景,处理完再返回给客户 端,客户端解析响应,渲染最新的场景展示给玩家。
    如果出现一个数据包丢失,所有事情都需要停下来等待这个数据包重发。客户端会出现等待接收 数据,然而玩家并不关心过期的数据,激战中卡 1 秒,等能动了都已经死了。
    游戏对实时要求较为严格的情况下,采用自定义的可靠 UDP 协议,自定义重传策略,能够把丢 包产生的延迟降到最低,尽量减少网络问题对游戏性造成的影响。

    4. IOT物联网

    一方面,物联网领域终端资源少,很可能只是个内存非常小的嵌入式系统,而维护 TCP 协议代 价太大;另一方面,物联网对实时性要求也很高,而 TCP 还是因为上面的那些原因导致时延 大。Google 旗下的 Nest 建立 Thread Group,推出了物联网通信协议 Thread,就是基于 UDP 协议的。

    5. 移动通信领域

    在 4G 网络里,移动流量上网的数据面对的协议 GTP-U 是基于 UDP 的。因为移动网络协议比 较复杂,而 GTP 协议本身就包含复杂的手机上线下线的通信协议。如果基于 TCP,TCP 的机制 就显得非常多余。

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  • 网络协议 -- UDP协议(1)介绍

    万次阅读 多人点赞 2017-12-28 16:12:59
    一、什么是UDP协议UDP是User Datagram Protocol的简称,中文名是用户数据报协议,是OSI参考模型中的传输层协议,它是一种无连接的传输层协议,提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。 UDP的正式规范是IETF RFC...

    一、什么是UDP协议?

    UDP是User Datagram Protocol的简称,中文名是用户数据报协议,是OSI参考模型中的传输层协议,它是一种无连接的传输层协议,提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。
    UDP的正式规范是IETF RFC768。UDP在IP报文的协议号是17。

    ISO七层模型:
    ISO七层模型

    1.1 UDP报头

    UDP报头的结构如图:
    UDP报头

    UDP报头由4个部分组成,其中两个是可选的(粉红背景标出部分):

    • 各16bit的来源端口目的端口用来标记发送和接受的应用进程。因为UDP不需要应答,所以来源端口是可选的,如果来源端口不用,那么置为零。

    • 在目的端口后面是长度固定的以字节为单位的报文长度域,用来指定UDP数据报包括数据部分的长度,长度最小值为8byte。

    • 首部剩下地16bit是用来对首部和数据部分一起做校验和(Checksum)的,这部分是可选的,但在实际应用中一般都使用这一功能。

    • UDP和TCP的校验和都覆盖到了他们的首部和数据,而之前介绍的IP首部的校验和只覆盖了IP首部。

    1.2 TCP和UDP区别

    特征点 TCP UDP
    是否连接 面向连接 面向非连接
    传输可靠性 可靠 会丢包,不可靠
    应用场景 传输数据量大 传输量小
    速度

    TCP(传输控制协议)提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户端和服务器彼此交换数据前,必须先在双方之间建立一个TCP连接,之后才能传输数据。TCP提供超时重发,丢弃重复数据,检验数据,流量控制等功能,保证数据能从一端传到另一端。
    UDP(用户数据报协议)是一个简单的面向数据报的运输层协议。UDP不提供可靠性,它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去,但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接,且没有超时重发等机制,故而传输速度很快。

    由于UDP缺乏拥塞控制(congestion control),需要基于网络的机制来减少因失控和高速UDP流量负荷而导致的拥塞崩溃效应。换句话说,因为UDP发送者不能够检测拥塞,所以像使用包队列和丢弃技术的路由器这样的网络基本设备往往就成为降低UDP过大通信量的有效工具。数据报拥塞控制协议(DCCP)设计成通过在诸如流媒体类型的高速率UDP流中,增加主机拥塞控制,来减小这个潜在的问题。

    1.3 应用场景

    由于缺乏可靠性且属于非连接导向协议,UDP的应用一般必须允许一定量的丢包、出错和复制粘贴。但有些应用,比如TFTP,需要可靠性保证,则必须在应用层增加根本的可靠机制。但是绝大多数UDP应用都不需要可靠机制,甚至可能因为引入可靠机制而降低性能。流媒体、即时多媒体游戏和IP电话(VoIP)就是典型的UDP应用。如果某个应用需要很高的可靠性,那么可以用传输控制协议(即TCP协议)来代替UDP。

    使用UDP协议的应用有:域名系统(DNS)、简单网络管理协议(SNMP)、动态主机配置协议(DHCP)、路由信息协议(RIP)等等。因为UDP不属于连接型协议,因而具有资源消耗小,处理速度快的优点,所以通常音频、视频和普通数据在传送时使用UDP较多,因为它们即使偶尔丢失几个数据包,也不会对接收结果产生太大影响。

    二、单播、多播、广播、组播

    假设A(all简写)代表所有的机器,M(multiple简写)代表A中的多个机器,G(group简写)代表一组机器,1代表一台机器,那么:

    1 -> 1 就是单播;
    1 -> M 就是多播;
    1 -> A 就是广播;
    1 -> G 就是组播;
    
    当M=A时,多播就是广播;
    当M=G时,多播就是组播;

    多播包括组播和广播,组播、广播都是多播的一种表现形式。

    2.1 单播

    单播是主机之间“一对一”的通讯模式。发送方需要指定一个接收方的IP和端口,只有这个接收方会收到数据报。不会对子网内的其他机器产生影响。
    在单播模式下,服务器针对每个客户机都要发送数据流,服务器流量=客户机数量×客户机流量,在客户机数量大、每个客户机流量大的应用(如流媒体)中,服务器将不堪重负。

    2.2 广播

    广播是主机之间“一对所有”的通讯模式。子网的一台主机作为发送发广播一条信息,该子网中的所有主机都可以接收到该信息(不管你是否需要该信息)。
    在广播模式下,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。
    无法在广域网上进行广播,而且广播消息不会被路由转发,所以只能在一个子网中进行广播。因为如果路由器转发了广播信息,那么势必会引起网络瘫痪。这也是为什么IP协议的设计者故意没有定义互联网范围的广播机制。

    主机发送广播消息时,需要指定目的IP地址为255.255.255.255和接受者的端口号。

    2.3 组播

    组播是主机之间“一对多”的通讯模式。一台主机加入一个组播IP后,之后向该组播IP发送的数据报都会发送到该主机。
    专门为组播划出了一个地址范围,在IPv4中为D类地址,范围是224.0.0.0 ~ 239.255.255.255,并将D类地址划分为局部链接组播地址、预留组播地址、管理权限组播地址如下:
    局部链接地址:224.0.0.0~224.0.0.255,用于局域网,路由器不转发属于此范围的IP包。

    预留组播地址:224.0.1.0~238.255.255.255,用于全球范围或网络协议。

    管理权限地址:239.0.0.0~239.255.255.255,组织内部使用,用于限制组播范围。

    《TCP/IP详解 卷1:协议》在线阅读地址:http://www.52im.net/topic-tcpipvol1.html

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  • Tcp、udp区别 基于包,基于流

    千次阅读 2016-12-07 21:18:06
    1:用户数据报协议(UDP),UDP协议是面向无连接的不可靠服务,在传输数据之前不需要先建立连接。远地主机的运输层收到UDP报文后,不需要给出任何确认,传输数据快,不能广播。 2:传输数据报协议(TCP),TCP 则提供...


    1:用户数据报协议(UDP),UDP协议是面向无连接的不可靠服务,在传输数据之前不需要先建立连接。远地主机的运输层收到UDP报文后,不需要给出任何确认,传输数据快,不能广播。

    2:传输数据报协议(TCP),TCP 则提供面向连接的可靠服务。在传输数据前必须先建立连接,数据传输完毕后要释放连接,传输数据慢,能广播。
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  • 网络流媒体协议之——UDP协议概述

    千次阅读 2018-07-31 16:24:56
    常用的应用层流媒体协议有RTP/RTCP/RTSP(可基于TCP或UDP)、RTMP和HTTP(一般基于TCP方式)。   对于实时视频流媒体来说,人们期望音视频数据能够及时地从一端传输到另一端,例如数字电视行业的电视直播等,少量的.....

    本篇是关于最简单的UDP协议的概述。

     

    网络上的媒体传输一般可认为有两种方式,基于TCP的传输和基于UDP的传输,根据应用场景的不同,所选择的传输方式也不同。常用的应用层流媒体协议有RTP/RTCP/RTSP(可基于TCP或UDP)、RTMP和HTTP(一般基于TCP方式)。

     

    对于实时视频流媒体来说,人们期望音视频数据能够及时地从一端传输到另一端,例如数字电视行业的电视直播等,少量的丢包对于观众的观看影响不明显,但较大的延迟和卡顿则严重影响观看体验。TCP的拥塞控制技术不太适用于这种快速而稳定的流媒体传输,并且重传机制对于实时流媒体来说既影响效率又没必要,因此,这种情况下一般采用基于UDP的方式。

    下面我们就来近距离了解一下常用的UDP协议。

    UDP — User Datagram Protocol,用户数据报协议,是OSI模型中的一种面向无连接的传输层协议。UDP在TCP/IP协议族中的位置如下图所示。

     

    UDP提供了无连接通信,且不对传送的数据包进行可靠性保证,具有延迟小、数据传输效率高的优点,因此较多地应用于音视频的实时传输。数字电视行业的转码器,如envivo、思科等,基本都是基于UDP传输TS封装的码流。

    UDP包结构:

    下面我们来看看UDP包的内部结构是什么样子?

    很简单,就是在有效数据前面加上一个8字节的UDP报头,UDP的报头由4个域组成,每个域各占用2个字节,分别是源端口号、目标端口号、数据报长度以及校验和。

    源端口号:在源主机上运行进程所使用的端口,16 bits,可以表示的端口号范围是0~65535。当源主机是客户端时,此端口号为临时端口号(1024~5000),为源主机上的UDP软件随机生成;当源主机是服务端时,此端口号通常是熟知端口(0~1023)。

    目的端口号:在目的主机上运行的进程使用的端口号,16 bits。若目的主机是服务器端,那么此端口号通常是熟知端口;如果目的主机是客户端,那么此端口号通常是随机生成的临时端口。服务器端发送报文的目的端口,通常是将客户端发送报文的源端口复制过来。

    总长度:16 bits,范围0~65535,定义了用户数据报的总长度,包含报头和数据部分,但注意最小长度是8字节,即只有报头没有数据。

    校验和:该字段用来检验整个用户数据报(首部+数据)出现的差错,可选,若无,则该域全为0。

    伪首部:

    在计算UDP校验和的过程中用到了一个伪首部,长度为12 bytes。伪首部的组成见下图。

     

    伪首部包含5个部分,分别是源IP地址(4 bytes),目的IP地址(4 bytes),8 bits的全零填充字段,所使用的协议类型代码(UDP为17),以及UDP数据报的长度(2 bytes)。伪首部并不随着UDP数据报一起传输,也不计算在数据报长度之内,只用来做发送和接收端的UDP校验和的计算。使用伪首部的目的是检验UDP数据报是否已到达正确的目的地。正确的目的地包括了特定的主机地址和机器上特定的协议端口,而UDP报头仅指定了使用的协议端口号。因此为了确保数据报能够正确到达目的地,发送UDP数据报的机器在计算校验和时把目的主机的IP地址和应有的数据都包含在内。接收方进行正确性验证的时候,必须把这些字段的信息从IP报文的首部中抽取出来,以伪首部的格式进行组合,然后再重新计算校验和(如下图所示)。如果校验正确,说明UDP数据报到达了正确主机的正确端口。

    有了以上这些包结构知识,下面我们来看一下UDP在形成和传输流程中的组包和解包过程,以一图以概括之:

    Frame header为数据链路层的帧头。

    最后,我们来简单聊一下UDP使用中的问题和常用处理方法。

     

    UDP虽然实现简单、实时性好,但也存在丢包和乱序问题,在局域网中丢包不明显,在公网环境下丢包则较为普遍。实际使用中,针对丢包和乱序产生的原因,我们可以采取一些补救措施来改善UDP传送流媒体数据的效率。

    关于丢包,主要包括以下两个方面的原因:

    1. 在发送端,发送数据包过大或者太频繁导致的丢包

     

    • 以太网的MTU(Maximum Transmission Unit)通常是1500 bytes,因此,最好控制发送报文长度在1500 bytes以下,以TS over UDP场景为例,通常每个TS包大小为188 bytes,因此,每个UDP包中最大可包含TS包的数目为floor((1500 – 8 -20 )/ 188) = 7,即有效数据为188 * 7 = 1316bytes,8和20分别为UDP包头和IP包头的长度。

    •  

      若数据填充至UDP发送缓冲区的速度比UDP发送速度快,那么当缓冲区填满之后就会发生溢出而导致数据丢失,因此需要平衡写入缓冲区的速度与UDP发送速度。

     

    • 另外,适当修改缓冲区大小可以缓解丢包问题。

    2.  在接收端,处理速度太慢,来不及接收导致丢包

    • 接收端的接收模块和数据处理模块应设计成并行模式(异步模式),共同维护一个接收缓冲队列,使接收和处理能够同步进行,同时保证数据处理速度不低于数据接收速度,以免buffer溢出。

    关于乱序,可以在每个报文中加入报文编号,通过报文编号来判断丢包和乱序,例如RTP包头中有Sequence number,TS包头中有continuity_counter,若传输的数据没有明确的包序列号,也可自行定义报文包头。

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