JavaEE 第21节 UDP数据报结构剖析

前言

本篇文章会围绕UDP报文的结构，对此协议展开详细的讲解，比如报文中每个字段的作用、以及填写方式。

阅读完这篇文章，你会对UDP数据报结构有个透彻的认识，进而体会UDP协议持有相关特性的原因。

报文结构

UDP协议是面向数据报进行传输的 。例如发送端发送一个100字节的数据报，那么接收端只能一次性把这个100字节的数据报接收。 而不能分段接收！比如100个字节，分成10次接收，每次接收10个字节，这样是不允许的，因为UDP协议中数据传输最小的单位就是一个数据报，而不是字节。

如图，一个UDP数据报的结构：

UDP正文部分功能很简单，用于存储需要传输的数据，不用过多介绍，这里主要讲解UDP报头部分的四个字段的功能。

1、源端口号&目的端口号

分别存储客户端和服务器端应用程序的端口号。2个字节，8个比特位，刚好覆盖端口号的大小，即0------65535。
注意： UDP是传输层协议，不太关心IP地址，因此不会把IP地址封装到UDP数据报中，需要把数据报传递个网络层，由网络层对IP地址进行封装。

2、UDP长度

UDP长度的单位是字节，也就是说UDP长度是用来表示这个数据报的内存大小的 。

例如，一个数据报长度是100，那么这个数据报的内存大小就是100个字节（包含8字节数据报报头）。

由于长度字段只分配了2个字节进行存储，因此其数据报长度的表示范围只能在 $8，65535$ 。

一个数据报的内存结构图：

也就是说，UDP协议，一次传输的数据大小最多是64KB。放到当今的互联网时代，64KB算不上多，这也算是UDP协议的一个局限。因为这个协议诞生年代久远，是1980年推出的，当时没有想到现在互联网发展速度如此之快。

3、校验和

概念

校验和（checksum）以需要传输的实际数据（包括IP地址以及报头、载荷）作为参数，进行相关计算得到的一个二进制数字。发送端把校验和计算好，填入对应字段，发送给客户端，接收端拿到数据，会用相同的计算方式重新计算校验和，如果和原来的校验和不匹配，说明当前传输过来的数据出现了错误，需要把它丢弃。
注意，UDP协议把数据报丢弃后，不要求重传，这也是为什么说UDP协议传输不可靠的原因，如果确实需要重传，需要采用其他方式进行，比如应用层重传机制等。

校验和计算方法

详细的计算流程不用掌握，大致了解即可。

UDP校验和的计算方法，一般采用"一的补码"进行计算：

准备伪头部:
- 伪头部的生成需要借助网络层，以为它需要获取IP地址以及协议号。因此伪头部并不是UDP数据报的一部分，它只是计算校验和临时生成的数据。伪头部具体包含以下内容：
  - 源IP地址（32位）
  - 目的IP地址（32位）
  - 保留字段（8位，值为0）
  - 协议类型（8位，UDP的值为17）
  - UDP长度（16位，即整个UDP报文的长度，包括头部和数据部分）

伪头部的目的是确保IP地址和协议类型在计算校验和时被考虑到，从而提高校验和的可靠性。

准备UDP头部和数据部分:
- UDP头部和数据部分一同参与校验和的计算。UDP头部由以下字段组成：
  - 源端口（16位）
  - 目的端口（16位）
  - UDP长度（16位）
  - 校验和字段（16位，初始化时置为0）
  - 数据部分是指UDP报文中实际传输的用户数据。
将所有字段组合在一起:
- 将伪头部、UDP头部、数据部分按顺序组合在一起形成一个数据流。
- 将连续的数据流按照16位（2个字节）一组分割。
以16位为单位进行逐个加法:
- 将数据流中的每两个字节（16位）视为一个单元，逐个相加。如果结果超过了16位（即出现溢出），将溢出的高位加到低位上。
取反:
- 将得到的加和值取反（即按位取反），生成最终的16位校验和值。
填入校验和字段:
- 将计算得到的校验和值填入UDP头部的校验和字段。

除了上面这个算法，关于校验和的计算，还有很多其他常用的算法，比如CRC、MD5、SHA等。这些算法根据不同的场景或者协议被广泛使用。