TCP/IP详解之第11章-UDP：用户数据报协议

知识要点

• UDP同TCP一样是传输层协议，且网络层均使用IP协议。

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  |   IP header   |   UDP header  |          UDP payload      |
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       20 bytes        8 bytes

• UDP是面向数据报的，即将进程的单次输出封装成一个UDP数据报。

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   0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
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  |          Source Port          |       Destination Port        |
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  |          Length               |       Checksum                |
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  |                              Data                             |
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• UDP和TCP的校验和均覆盖UDP首部和UDP数据，但是UPD的校验和是可选项，而TCP的校验和是必需项。

• UDP数据报和TCP段计算校验和时都包含一个12字节的伪首部，其中包含了32位源IP地址和32位目的IP地址，用于检测UPD数据报是否已正确抵达目的地。

• UDP校验和是端到端的，由发送端计算，接收端验证，以检测端到端之间UDP数据报是否发生任何改动。

• UDP不提供传输的可靠性保障，即通过UDP发送的数据不保证能否抵达目的地。

• 使用UDP时应避免IP分片，因为IP层没有超时重传机制。

• 由于以太网帧的MTU为1500（IEEE 802的MTU为1492），因此，当UDP数据报中的用户数据大于1472（1500-20-8）时会触发IP层分片。

• 可利用路径MTU发现机制获取路径上最小的MTU值，可用以下命令：

  ping -D -s 8.8.8.8
  或 
  tracepath 8.8.8.8

• 理论上，IP数据报的最大长度为65535（2^16），即UDP数据报中用户数据最大长度为65507=65535-20-8。但是，大多数实现所提供的长度小于这个理论值，原因有二：

  • 应用程序可能会受到程序接口限制
  • TCP/IP的内核实现中，IP数据报的长度小于65535。

• UDP允许应用层指定可接收的最大字节数，因为IP能够发送或接收特定长度的数据包，并不意味着应用层可以读取同样长度的数据。

习题详解

• 在 1 1 . 5 节中，向UDP数据报中写入1473 字节用户数据时导致以太网数据报片的发生。在采用以太网IEEE 802封装格式时，导致分片的最小用户数据长度为多少?
  答：因为使用IEEE 802封装时，IP数据报前面存在8个额外的字节，即IEEE 802帧用户数据最大长度为1492（1500-8），因此，UDP导致分片的最小用户数据长度为1465=1492-20-8+1。

• 阅读RFC 791[Postel 1981a]，理解为什么除最后一片外，其他片中的数据长度均要求为
  8字节的整数倍?

  答：这与IP报文格式的设计相关。在IP报文中，表示报文总长度值的字段占16bits，即IP报文的最大长度为65535。而表示分片偏移量的字段占13bits，能表示范围为0~8191。由于IP报文最小长度为20字节，因此IP报文用户数据的最大长度为65515（65535 - 20）个字节。如果使用8字节作为偏移量最小跨度，那么最多可表示8189（65515 / 8）个分片，这与最大分片偏移量（8191）很接近。且当偏移量取最大值时，最后一个分片的长度为3个字节 = 65535 - 20 - (8189 * 8)。

• 假定有一个以太网和一份8192字节的UDP数据报，那么需要分成多少个数据分片，每个数据分片的偏移和长度为多少？

  答：将8192字节的UDP数据封装成IP报文需加上8字节的UDP头部，即IP报文的数据长度为8200字节。又因为以太网帧的MTU为1500，每个分片除去20字节的IP头部，IP报文最大数据长度为1480，且刚好是8的倍数，满足IP分片要求。

  分片数=8200 / 1480 + 1 = 6，8200 = 1480 * 5 + 800，分片采用tcpdump记号：

  • 分片一：1480@0+，分片长度为1480，偏移量为0，标识位MF=1（More Fragement）
  • 分片二：1480@1480+
  • 分片三：1480@2960+
  • 分片四：1480@4440+
  • 分片五：1480@5920+
  • 分片六：800@7400+

• 一个用UDP发送数据报的应用程序，它把数据报分成4个数据分片。假定第1片和第2片到达目的端，而第3片和第4片丢失了。应用程序在10秒钟后超时重发该UDP数据报，并且被分成相同的4片（相同的偏移和长度）。假定这一次接收主机重新组装的时间为60秒，那么当重发的第3片和第4片到达目的端时，原先收到的第1片和第2片还没有丢弃。接收端能否把这4片数据重新组装成一份IP数据报？

  答：不能。IP数据报中有一个标识字段，只有标识字段相同的数据分片才能组装成一份IP数据报。当应用程序超时重传时，重传IP数据报具有新的标识，因此，其所生成的分片不能与其他IP数据报的分片重组。

• 在讨论分片时没有提及任何IP首部中的选项—它们是否也要复制到每个数据报片中，或者只留在第一个数据报片中？我们已经讨论过下面这些IP选项：记录路由、时间戳、严格和宽松的源站选路。你希望分片如何处理这些选项？

  答：不严格和严格的源站选路选项被复制到每一个数据包分片中。时间戳选项和记录路由选项只出现在第一个数据包分片中，而不会被复制到每一个数据包分片中。

• 在图1-8中，我们说UDP数据报是根据目的UDP端口号进行分配的，这正确吗？

  答：不正确，很多实现是根据目的IP地址、源IP地址和源端口号来过滤送往一个给定UDP端口号的输入数据报。

参考资料

Why the ip fragments must be in multiples of 8 bytes