网络协议之UDP

前言

TCP协议在不可靠的网络环境上提供了可靠的通信通道，隐藏了大量的底层细节，使应用程序更加简洁。但有些应用并不需要这么高的可靠性，并不需要按序交付，而且TCP为了提高可靠性也增加了延时，在某些对延时或抖动要求很高的情景下并不适用。为此，UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）被提出。UDP虽然应用较为广泛，比如DNS查询等，但一直不是重要的角色。自从WebRTC被提出以来，它可以使浏览器在UDP的基础上实现原生的语音和视频实时通信及其他形式的P2P通信，UDP在这种境况下显得更加重要。本文大致介绍UDP的原理及应用，以求加深对其理解。

UDP

TCP是面向连接的，需要三次握手建立连接之后再传输数据，而是UDP面向无连接的，它并不能保证信息交付，也不能保证按序交互，也不跟踪连接状态，也不需要拥塞控制。

要了解UDP和为什么它通常被称为“空协议”，我们首先需要了解一下互联网协议（IP），它位于TCP和UDP协议层下面。IP层主要任务就是基于地址将数据报从源主机发送到目的主机。要做到这一点，消息都封装在一个IP包，标识源和目的地址，以及一些其他路由参数。

我们再次强调一下上面提到的数据报这个术语的含义：IP层提供了不可靠的数据传输，既没有消息确认，也没有丢失通知， IP层直接把这一层的不可靠性暴露给上层。如果一个数据报在传输过程中因为某个路由节点拥塞，高负荷，或因其他原因丢失，那么由IP上层的协议来检测，恢复，并重传数据 - 当然这是在上层有这个需求的时候！IPv4的首部结构如下：

UDP协议会用自己的分组结构封装用户信息，其数据格式如下：

如上图所示，我们在UDP数据报里增加了源端口和目标端口，这样就使得当IP分组被送到接收端后，接收端就可以拆开UDP分组，根据目标端口找到对应的应用程序，然后再把数据传递给应用程序。

从IP和UDP的数据格式可以看到，它们的首部都带有校验和，都可以用来校验数据，那么应用程序即使忽略UDP的校验和也不影响数据完整性，校验和字段是可选的。这意味着UDP层所有的错误检测和纠错，可以委托给上述应用层校验。说到底，UDP仅仅是在IP层上通过嵌入应用程序的源端口和目标端口，提供了一个“应用程序多路复用”机制。由此可以得到UDP的特征如下：

• 不保证消息交付：不确认，不重传，无超时；
• 不保证交付顺序：不设置包序号，不重排，不发生队首阻塞；
• 不跟踪连接状态：不必建立连接或重启状态机；
• 不需要拥塞控制：不内置客户端或网络反馈机。

TCP是一个面向字节流的协议，能够通过多个分组的形式发送应用程序的消息数据，包内本身没有任何明确的消息边界。为了实现这一目标，连接两端都分配了连接状态，并且数据包被排序，重发丢包，按顺序发送。相反UDP数据报有明确的界限：每一个数据报都被打包到一个IP包中，应用层读到的每一个UDP包都是完整的信息 - 数据报不能被分割。

关于数据报（Datagram）详细定义如下：

数据报：一个自包含的，独立的数据实体，其承载了足够的信息，使其可以从源路由到达目标路由，而不依赖于在网络节点前的数据交换和传输网络没有任何依赖。

数据报文（Datagram）和数据包（Packet）两个术语往交替使用，但其实二者有一些细微差别。数据包（packet）一般用来描述任何格式的数据块，而数据报（Datagram）往往被保留用来描述通过一个不可靠的服务传输的数据包（Packet） - 没有传输保障，没有失败通知。所以UDP包一般或者说更准确的被称为数据报（Datagram）。

UDP是一个简单的，无状态的协议，适合于引导上层的其他应用层协议 - 几乎所有的协议决策都留给它上面的应用层。然而，在你想实现自己的协议来取代TCP，你应该仔细考虑有关的复杂性，如UDP与其它层的交互（比如NAT穿越），以及网络协议一些最佳实践。没有仔细的规划和设计，设计一个新的协议不是一个好主意，最终也许实现成一个的简陋的TCP版本。关于传输UDP时遇到的NAT穿透问题，将在下篇文章中讲述。

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