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  • UDP协议

    万次阅读 多人点赞 2017-06-21 12:31:05
    UDP协议UDP协议简介UDP(User Datagram Protocol),用户数据报协议,是OSI(Open System Interconnection,开放式系统互联) 参考模型中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,IETF RFC 768...

    UDP协议

    UDP(User Datagram Protocol),用户数据报协议,是OSI(Open System Interconnection,开放式系统互联) 参考模型中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,IETF RFC 768是UDP的正式规范。UDP提供了无连接通信,且不对传送数据包进行可靠性保证,适合于一次传输少量数据,UDP传输的可靠性由应用层负责。

    UDP报文没有可靠性保证、顺序保证和流量控制字段等,可靠性较差。但是正因为UDP协议的控制选项较少,在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高,适合对可靠性要求不高的应用程序,或者可以保障可靠性的应用程序,如DNS、TFTP、SNMP等。
    UDP在IP报文中的位置如下图所示:
    这里写图片描述
    可以看到,UDP其实就是在IP报文中添加了端口信息,使数据到达主机后送达至相应端口的应用程序。下面是通过wireshark抓的一个UDP数据包:
    在这里插入图片描述


    UDP使用

    在选择使用协议的时候,选择UDP必须要谨慎。在网络质量令人十分不满意的环境下,UDP协议数据包丢失会比较严重。但是由于UDP的特性:它不属于连接型协议,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一两个数据包,也不会对接收结果产生太大影响。比如我们聊天用的QQ就是使用的UDP协议。

    既然UDP是一种不可靠的网络协议,那么还有什么使用价值或必要呢?其实不然,在有些情况下UDP协议可能会变得非常有用。因为UDP具有TCP所望尘莫及的速度优势。虽然TCP协议中植入了各种安全保障功能,但是在实际执行的过程中会占用大量的系统开销,无疑使速度受到严重的影响。反观UDP由于排除了信息可靠传递机制,将安全和排序等功能移交给上层应用来完成,极大降低了执行时间,使速度得到了保证。


    UDP报头

    UDP报头由4个域组成,其中每个域各占用2个字节,如下图所示:
    这里写图片描述

    • UDP协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道。UDP和TCP协议正是采用这一机制实现对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的支持。数据发送一方(可以是客户端或服务器端)将UDP数据包通过源端口发送出去,而数据接收一方则通过目标端口接收数据。有的网络应用只能使用预先为其预留或注册的静态端口;而另外一些网络应用则可以使用未被注册的动态端口。*因为UDP报头使用两个字节存放端口号,所以端口号的有效范围是从0到65535。*一般来说,大于49151的端口号都代表动态端口。

    • 数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总字节数。因为报头的长度是固定的,所以该域主要被用来计算可变长度的数据部分(又称为数据负载)。数据报的最大长度根据操作环境的不同而各异。从理论上说,包含报头在内的数据报的最大长度为65535字节。不过,一些实际应用往往会限制数据报的大小,有时会降低到8192字节。(对于一次发送多少字节比较好,后面会讲到)

    • UDP协议使用报头中的校验值来保证数据的安全。校验值首先在数据发送方通过特殊的算法计算得出,在传递到接收方之后,还需要再重新计算。如果某个数据报在传输过程中被第三方篡改或者由于线路噪音等原因受到损坏,发送和接收方的校验计算值将不会相符,由此UDP协议可以检测是否出错。这与TCP协议是不同的,后者要求必须具有校验值。

    • 许多链路层协议都提供错误检查,包括流行的以太网协议,也许你想知道为什么UDP也要提供检查和校验。其原因是链路层以下的协议在源端和终端之间的某些通道可能不提供错误检测。虽然UDP提供有错误检测,但检测到错误时,UDP不做错误校正,只是简单地把损坏的消息段扔掉,或者给应用程序提供警告信息。


    UDP特性

    UDP是一个无连接协议,传输数据之前源端和终端不建立连接,当UDP它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据,并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端,UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制;在接收端,UDP把每个消息段放在队列中,应用程序每次从队列中读一个消息段。

    由于传输数据不建立连接,因此也就不需要维护连接状态,包括收发状态等,因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。

    UDP信息包的标题很短,只有8个字节,相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。

    吞吐量不受拥挤控制算法的调节,只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。

    UDP使用尽最大努力交付,即不保证可靠交付,因此主机不需要维持复杂的链接状态表(这里面有许多参数)。

    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给IP层。既不拆分,也不合并,而是保留这些报文的边界,因此,应用程序需要选择合适的报文大小。


    对UDP一次发送多少bytes好?问题的思考

    在进行UDP编程的时候,我们最容易想到的问题就是,一次发送多少bytes好? 当然,这个没有唯一答案。相对于不同的系统,不同的要求,其得到的答案是不一样的。我这里仅对像ICQ一类的发送聊天消息的情况作分析,对于其他情况,或许也能得到一点帮助。

    首先,我们知道TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统,包括链路层、网络层、传输层、应用层。UDP属于传输层,下面我们由下至上一步一步来看: 以太网(Ethernet)数据帧的长度必须在46-1500字节之间,这是由以太网的物理特性决定的。 这个1500字节被称为链路层的MTU(最大传输单元)。 但这并不是指链路层的长度被限制在1500字节,其实这个MTU指的是链路层的数据区并不包括链路层的首部和尾部的18个字节。所以事实上这个1500字节就是网络层IP数据报的长度限制。因为IP数据报的首部为20字节,所以IP数据报的数据区长度最大为1480字节。而这个1480字节就是用来放TCP传来的TCP报文段或UDP传来的UDP数据报的。又因为UDP数据报的首部8字节,所以UDP数据报的数据区最大长度为1472字节。这个1472字节就是我们可以使用的字节数。

    当我们发送的UDP数据大于1472的时候会怎样呢? 这也就是说IP数据报大于1500字节,大于MTU。这个时候发送方IP层就需要分片(fragmentation)。把数据报分成若干片,使每一片都小于MTU。而接收方IP层则需要进行数据报的重组。这样就会多做许多事情,而更严重的是,由于UDP的特性,当某一片数据传送中丢失时,无法重组数据报,将导致丢弃整个UDP数据报。因此,在普通的局域网环境下,建议将UDP的数据控制在1472字节以下为好。

    进行Internet编程时则不同,因为Internet上的路由器可能会将MTU设为不同的值. 如果我们假定MTU为1500来发送数据的,而途经的某个网络的MTU值小于1500字节,那么系统将会使用一系列的机制来调整MTU值,使数据报能够顺利到达目的地,这样就会做许多不必要的操作. 鉴于Internet上的标准MTU值为576字节,所以我建议在进行Internet的UDP编程时. 最好将UDP的数据长度控件在548字节(576-8-20)以内.


    UDP协议:低开销通信

    UDP是一种简单协议,提供了基本的传输层功能。与TCP相比,UDP的开销极低,因为UDP是无连接的,并且不提供复杂的重新传输、排序和流量控制机制。

    UDP数据报重组

    与TCP的通信机制不同,由于UDP是无连接协议,因此通信发生之前不会建立会话。UDP是基于事务的,换言之,应用程序要发送数据时,它仅是发送数据而已。很多使用UDP的应用程序发送的数据量很小,用一个数据段就够了。但是也有一些应用程序需要发送大量数据,因此需要用多个数据段。UDP PDU(协议数据单元)的实际意义是数据报,尽管数据段和数据报可以互换使用来描述某个传输层PDU。

    	将多个数据报发送到目的主机时,它们可能使用了不同的路径,到达顺序也可能跟发送时的顺序不同。与TCP不同,UDP不跟踪序列号。UDP不会对数据报重组,因此也不会将数据恢复到传输时的顺序。
    	因此,UDP仅仅是将接收到的数据按照先来后到的顺序转发到应用程序。如果数据的顺序对应用程序很重要,那么应用程序只能自己标志数据的正确顺序,并决定如何处理这些数据。
    

    UDP服务器进程与请求

    与基于TCP的应用程序相同的是,基于UDP的服务器应用程序也被分配了公认端口或已注册的端口。当上述应用程序或进程运行时,它们就会接受与所分配端口相匹配的数据。当UDP收到用于某个端口的数据报时,它就会按照应用程序的端口号将数据发送到相应的应用程序。

    UDP客户端进程

    对于TCP而言,客户端/服务器模式的通信初始化采用由客户端应用程序向服务器进程请求数据的形式。而UDP客户端进程则是从动态可用端口中随机挑选一个端口号,用来作为会话的源端口。而目的端口通常都是分配到服务器进程的公认端口或已注册的端口。

    采用随机的源端口号的另一个优点是提高安全性。如果目的端口的选择方式容易预测,那么网络入侵者很容易就可以通过尝试最可能开放的端口号访问客户端。

    由于UDP不建立会话,因此一旦数据和端口号准备就绪,UDP就可以生成数据报并递交给网络层,并在网络上寻址和发送。

    需要谨记的是,客户端选定了源端口和目的端口后,通信事务中的所有数据报文头都采用相同的端口对。对于从服务器到达客户端的数据来说,数据报头所含的源端口和目的端口作了互换。

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  • udp 协议

    千次阅读 2011-11-29 17:00:54
    我们知道,ip协议提供了在主机之间交互数据的机制,udp协议则提供应用程序之间传输数据报的基本机制,也就是说udp协议能够区分在同一台机器上运行的多个程序或进程。udp协议通过在ip协议上添加端口来实现此目的,...

     CSDN  lidp 专栏 http://blog.csdn.net/perfectpdl

    我们知道,ip协议提供了在主机之间交互数据的机制,udp协议则提供应用程序之间传输数据报的基本机制,也就是说udp协议能够区分在同一台机器上运行的多个程序或进程。udp协议通过在ip协议上添加端口来实现此目的,这样,使用udp的软件能够把报文送到正确的接受进程,而接受进程也能回送应答报文,
    udp协议使用底层的ip协议在各机器之间传输报文,提供和ip一样的不可靠,无连接数据报交互服务,他没有使用确认来确保报文到达,没有对报文排序,也不提供反馈信息来控制机器之间信息流动的速度,因此udp可能存在丢失,乱序,重复到达的现象。使用udp的应用程序要承担可靠性方面的全部工作,包括处理报文丢失,重复,延时,乱序及连接失效等问题,我所知道的sip协议通过事务及定时器来达到可靠性。
    我们在编写基于udp 的socket应用程序时,应用程序访问udp层,然后使用ip层来收发数据报,将udp层放到ip层之上意味着一个包括udp首部和数据的完整udp报文,在互联网中传输时要封装到ip数据报中。
    udp给用户要发送的数据加上一个首部,然后再交给ip层,ip层又给udp层接收到的数据加上一个首部。最后,网络接口层把数据报封装到一个帧里,在进行机器之间的发送,帧的结构根据底层网络技术来确定。
    在接收端,最底层的网络软件接收到一个分组后把他提交给上一层模块,每一层都在向上提交数据之前剥离去本层的首部,因此当最高层协议软件把数据发送到相应的接受进程的时候,所有附加的首部都被剥离去了,也就是说,最外层的首部都对应的是最底层协议,而最内层的首部对应的是最高层的协议,比如我们用socket系统调用read数据包时实际上是ip层去掉ip首部后传到udp层,udp协议层把udp首部去掉后的数据。


    一句话:ip层只负责在互联网上的一对主机之间进行数据传输,而udp层只负责区分一台主机上多个源端口或目的端口。
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  • 终于懂了TCP和UDP协议区别

    万次阅读 多人点赞 2020-03-26 12:03:28
    终于懂了TCP和UDP协议区别

    老样子先认识一下这俩伙计

    TCP和UDP都是来自传输层协议

    传输层是位于第2层的,如下图所示。

    传输层位于应用层和网络层之间,负责位于不同主机中进程之间的通信。
    在这里插入图片描述

    之前一位老哥问我:不同电脑之间是如何通信的呢?是不是还要自己开发协议什么的。

    分析:这位老哥觉得如果开发一个应用需要自己定义协议。其实也并不是没有道理的,协议是什么?协议就是双方通信共同遵守的规则,被称之为协议。像怎么使用的HTTP,FTP这些都属于应用服务,为什么叫应用服务?因为是专门服务其他人的应用。像QQ、微信、淘宝、浏览器这些通常称之为应用客户端,当然了这些的服务端咱们是看不到摸不着的,除非你是参与其中开发的人员。QQ使用的是OICQ协议,HTTP服务则使用的HTTP协议,这些协议肯定都是自定义的。如果你使用HTTP服务器的话,你就必须遵守这个规则,否则人家是不认你的。其实都是基于TCP或UDP的。

    在这里插入图片描述
    Internet的传输层提供两种不同的服务,应用开发者必须选择其中的一种

    • TCP

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  • UDP协议学习

    2021-02-24 07:07:47
    UDP(UserDatagramProtocol),用户数据报协议,是...但是正因为UDP协议的控制选项较少,在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高,适合对可靠性要求不高的应用程序,或者可以保障可靠性的应用程序,如DNS、TFTP、SNMP
  • 深入理解TCP、UDP协议及两者的区别

    万次阅读 多人点赞 2018-11-14 13:03:24
    一、TCP协议: 位于传输层, 提供可靠的字节流服务。所谓的字节流服务(Byte Stream Service) 是指, 为了方便传输, 将大块数据分割成以报文段(segment) 为单位的数据包进行管理。 而可靠的传输服务是指, 能够...

    GitHub:https://github.com/JDawnF

    一、TCP协议:

           位于传输层, 提供可靠的字节流服务。所谓的字节流服务(Byte Stream Service) 是指, 为了方便传输, 将大块数据分割成以报文段(segment) 为单位的数据包进行管理。 而可靠的传输服务是指, 能够把数据准确可靠地传给对方。 即TCP 协议为了更容易传送大数据才把数据分割, 而且 TCP 协议能够确认数据最终是否送达到对方。所以,TCP连接相当于两根管道(一个用于服务器到客户端,一个用于客户端到服务器),管道里面数据传输是通过字节码传输,传输是有序的,每个字节都是一个一个来传输。

    (1)、三次握手:握手过程中使用了 TCP 的标志(flag) —— SYN(synchronize) 和ACK(acknowledgement) 。

    • 第一次握手:建立连接时,客户端A发送SYN包(SYN=j)到服务器B,并进入SYN_SEND状态,等待服务器B确认。
    • 第二次握手:服务器B收到SYN包,必须确认客户A的SYN(ACK=j+1),同时自己也发送一个SYN包(SYN=k),即SYN+ACK包,此时服务器B进入SYN_RECV状态。
    • 第三次握手:客户端A收到服务器B的SYN+ACK包,向服务器B发送确认包ACK(ACK=k+1),此包发送完毕,完成三次握手。

    若在握手过程中某个阶段莫名中断, TCP 协议会再次以相同的顺序发送相同的数据包。
     (2)、四次挥手:由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方被动关闭。

    • 客户端A发送一个FIN,用来关闭客户A到服务器B的数据传送。
    • 服务器B收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1。
    • 服务器B关闭与客户端A的连接,发送一个FIN给客户端A。
    • 客户端A发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1。

    三次握手和四次挥手:在TCP连接中,服务器端的SYN和ACK向客户端发送是一次性发送的,而在断开连接的过程中, B端向A
    端发送的ACK和FIN是分两次发送的。因为在B端接收到A端的FIN后, B端可能还有数据要传输,所以先发送ACK,等B端处理完自己的事情后就可以发送FIN断开连接了。

    (3)、深入理解TCP连接: 

    由于TCP是全双工的,因此在每一个方向都必须单独关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个FIN只意味着这个方向上没有数据流动,一个TCP连接在接收到一个FIN后仍能发送数据。 首先进行关
    闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。
    TCP协议的连接是全双工连接,一个TCP连接存在双向的读写通道。简单来说,是“先关读,再关写” ,总共需要4个阶段。以客户机发起关闭连接为例:1.服务器读通道关闭;2.客户端写通道关闭;3.客户端读通道关闭;4.服务器写通道关闭。
    关闭行为是在发起方数据发送完毕之后,给对方发出一个FIN(finish)数据段,直到接收到对方发送的FIN,且对方收到了接收确认的ACK之后,双方的数据通信完全结束,过程中每次都需要返回确认数据段ACK。

    (4)、TCP使用滑动窗口机制来进行流量控制。
    建立连接时,各端分配一个缓冲区用来存储接收的数据,并将缓冲区的尺寸发送给另一端。接收方发送的确认消息中包含了自己剩余的缓冲区尺寸。剩余缓冲区空间的数量叫做窗口。其实就是建立连接的双虎互相知道彼此剩余的缓冲区大小。

     (5)、拥塞控制

    拥塞控制:防止过多的数据注入到网路中,这样可以使网络中的路由器或链路不至于阻塞。拥塞控制是一个全局性的过程,和流量控制不同,流量控制是点对点的控制。

    1、慢开始:发送方维持一个叫做拥塞窗口cwnd(congestion window)的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度,并且动态的变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口,另外考虑到接收方的接收能力,发送窗口可能小于拥塞窗口。思路就是:不要一开始就发送大量的数据,先试探一下网络的拥塞程度,也就是说由小到大增加拥塞窗口的大小。

    为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞,还需要设置一个慢开始门限ssthresh状态变量。 ssthresh的方法如下:
    当cwnd < ssthresh时,开始使用慢开始算法;当cwnd > ssthresh, 改用拥塞避免算法;当cwnd = ssthresh时,慢开始与拥塞算法任意。
     2.拥塞避免:

    拥塞避免算法让拥塞窗口缓慢增长,即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1,而不是加倍,这样拥塞窗口按照线性规律缓慢增长。无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段,只要发送方判断网络出现拥塞(其根据就是没有收到确认,虽然没有收到确认可能是其他原因的分组丢失,但是因为⽆法判定,所以都当作拥塞处理),就把慢开始门限设置为出现拥塞时的发送窗口的一半,然后把拥塞窗口设置为1,执行慢开始算法:

    此外,还有快速重传和快速恢复,停止-等待协议,回退N帧协议,选择重传协议等。 

    二、UDP协议:

    无连接协议,也称透明协议,也位于传输层。

    两者区别:

    1) TCP提供面向连接的传输,通信前要先建立连接(三次握手机制); UDP提供无连接的传输,通信前不需要建立连接。
    2) TCP提供可靠的传输(有序,无差错,不丢失,不重复); UDP提供不可靠的传输。
    3) TCP面向字节流的传输,因此它能将信息分割成组,并在接收端将其重组; UDP是面向数据报的传输,没有分组开销。
    4) TCP提供拥塞控制和流量控制机制; UDP不提供拥塞控制和流量控制机制。


    三、长连接和短连接

           HTTP的长连接和短连接本质上是TCP长连接和短连接。HTTP属于应用层协议,在传输层使用TCP协议,在网络层使用IP协议。 IP协议主要解决网络路由和寻址问题,TCP协议主要解决如何在IP层之上可靠地传递数据包,使得网络上接收端收到发送端所发出的所有包,并且顺序与发送顺序一致。TCP协议是可靠的、面向连接的。

    在HTTP/1.0中默认使用短连接。也就是说,客户端和服务器每进行一次HTTP操作,就建立一次连接,任务结束就中断连接。当客户端浏览器访问的某个HTML或其他类型的Web页中包含有其他的Web资源(如JavaScript文件、图像文件、CSS文件等),每遇到这样一个Web资源,浏览器就会重新建立一个HTTP会话。

    而从HTTP/1.1起,默认使用长连接,用以保持连接特性。使用长连接的HTTP协议,会在响应头加入这行代码:

    Connection:keep-alive
    

    在使用长连接的情况下,当一个网页打开完成后,客户端和服务器之间用于传输HTTP数据的TCP连接不会关闭,客户端再次访问这个服务器时,会继续使用这一条已经建立的连接。Keep-Alive不会永久保持连接,它有一个保持时间,可以在不同的服务器软件(如Apache)中设定这个时间。实现长连接需要客户端和服务端都支持长连接。

    HTTP协议的长连接和短连接,实质上是TCP协议的长连接和短连接。

    https://www.cnblogs.com/gotodsp/p/6366163.html

    此外,如果想更进一步学习网络相关的知识,可以参照:https://blog.csdn.net/striveb/article/details/84062700

     

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