【软考中级网络工程师】知识点之 UDP 协议：网络通信中的高效轻骑兵

[一、UDP 协议简介](#一、UDP 协议简介)
[二、UDP 协议特点](#二、UDP 协议特点)
- [2.1 无连接性](#2.1 无连接性)
- [2.2 不可靠性](#2.2 不可靠性)
- [2.3 面向数据报](#2.3 面向数据报)
- [2.4 低开销](#2.4 低开销)
- [2.5 广播支持](#2.5 广播支持)
[三、UDP 协议工作原理](#三、UDP 协议工作原理)
- [3.1 UDP 报文格式](#3.1 UDP 报文格式)
- [3.2 UDP 数据传输过程](#3.2 UDP 数据传输过程)
[四、UDP 协议应用场景](#四、UDP 协议应用场景)
- [4.1 实时音视频传输](#4.1 实时音视频传输)
- [4.2 在线游戏](#4.2 在线游戏)
- [4.3 DNS 查询](#4.3 DNS 查询)
- [4.4 其他应用场景](#4.4 其他应用场景)
[五、UDP 与 TCP 对比](#五、UDP 与 TCP 对比)
- [5.1 可靠性对比](#5.1 可靠性对比)
- [5.2 性能对比](#5.2 性能对比)
- [5.3 适用场景对比](#5.3 适用场景对比)
[六、UDP 协议使用注意事项](#六、UDP 协议使用注意事项)
- [6.1 数据长度限制](#6.1 数据长度限制)
- [6.2 校验和的作用与局限性](#6.2 校验和的作用与局限性)
七、总结

一、UDP 协议简介

在计算机网络的庞大体系中，UDP 协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）占据着传输层的重要位置，与 TCP 协议一同为应用层提供数据传输服务。它就像是一位 "快递员"，以独特的方式在网络中传递数据。与 TCP 这位严谨、可靠的 "快递员" 不同，UDP 更像是一位追求效率的 "急行者" 。

UDP 是一种无连接的传输层协议，这意味着它在发送数据时不需要像 TCP 那样，先与接收方建立一个可靠的连接。就好比寄快递时，不需要提前打电话确认收件人是否在家，直接把包裹投递出去。这种特性使得 UDP 的传输过程更加简单和快速，减少了建立连接的时间开销，特别适合那些对实时性要求较高，能够容忍少量数据丢失的应用场景。

UDP 在网络通信中承担着重要的职责。它为应用程序提供了一种直接、高效的数据传输方式，允许应用程序将数据封装成 UDP 数据报，然后通过网络发送给目标主机。在这个过程中，UDP 数据报就像是一个个独立的 "包裹"，每个 "包裹" 都包含了源端口、目的端口、长度和校验和等关键信息，这些信息就像是包裹上的收件人地址、寄件人地址、重量和快递单号，帮助数据准确地在网络中传输和交付。

二、UDP 协议特点

UDP 协议之所以能够在网络传输中占据重要地位，得益于其独特的特点。这些特点使它在不同的应用场景中发挥着关键作用，下面我们就来详细剖析 UDP 协议的特点。

2.1 无连接性

UDP 协议无需像 TCP 协议那样，在发送数据之前与接收方进行复杂的三次握手来建立连接，也不需要在数据传输结束后进行四次挥手来关闭连接。在 UDP 通信中，发送方就像一位心急的快递员，不提前确认收件人是否在家，直接将数据报这个 "包裹" 扔出去，接收方也随时准备接收这些 "包裹" 。UDP 的无连接性与 TCP 的连接性对比如下：

这种无连接的特性极大地减少了通信延迟，提高了传输效率，特别适合那些对实时性要求极高，数据传输量相对较小且对可靠性要求相对较低的应用场景，如实时监控系统中的视频流传输，监控摄像头需要快速将视频数据发送出去，即使偶尔丢失一些数据帧，也不会对整体的监控效果产生太大影响。

2.2 不可靠性

UDP 协议不保证数据报的可靠传输，这是它与 TCP 协议的一个重要区别。在 UDP 传输过程中，可能会出现丢包、重复或乱序等情况。例如，当网络拥塞时，数据报可能会被丢弃；由于不同数据报在网络中传输的路径不同，到达接收方的顺序可能与发送方发送的顺序不一致。从发送方的角度来看，它发送数据报后，不会等待接收方的确认，也不会进行重传操作。就好像发短信，发送出去后，我们并不知道对方是否收到，也不会自动重发。这意味着使用 UDP 协议的应用程序需要自行处理这些可能出现的问题，比如在实时语音通话中，少量语音数据的丢失可以通过语音的连贯性和上下文来弥补，不会严重影响通话质量。

2.3 面向数据报

UDP 协议以数据报为单位传输数据，每个数据报都是独立的，包含了完整的源端口、目的端口、数据长度和校验和等信息。发送方可以将多个数据报连续发送，这些数据报在网络中独立传输，互不干扰。就好比把多个包裹分别扔出去，每个包裹都有自己的路线，可能会先到、后到或丢失，但它们之间没有关系。接收方在接收到数据报后，根据数据报中的目的端口信息，将数据交付给相应的应用程序。UDP 不会对数据进行拆分或合并，这与 TCP 将数据看成一连串无结构的字节流的传输方式不同。例如，在 DNS 查询中，每次查询请求和响应都是以独立的数据报形式进行传输的。

2.4 低开销

UDP 的头部结构非常简单，只有 8 个字节，相比 TCP 协议 20 - 60 字节的头部，开销明显更小。这 8 个字节主要包含源端口、目的端口、长度和校验和四个字段。源端口和目的端口用于标识发送方和接收方的应用程序，长度字段表示整个 UDP 数据报（包括头部和数据部分）的总长度，校验和用于检测数据报在传输过程中是否发生错误。UDP 没有复杂的连接建立和关闭过程，也没有流量控制和拥塞控制机制。这些特性使得 UDP 在传输数据时，能够以更快的速度进行，减少了数据传输的延迟，特别适合那些对传输速度要求较高，能够容忍一定数据丢失的应用，如在线游戏中的实时数据传输，玩家的操作指令需要快速发送到服务器，UDP 的低开销特性可以满足这一需求。以下展示 UDP 和 TCP 头部大小对比：

2.5 广播支持

UDP 协议支持广播和多播通信方式，这使得它在一些特定的应用场景中具有独特的优势。广播是指发送方将数据发送给网络中的所有设备，多播则是指发送方将数据发送给一组特定的设备。在一个局域网中，进行网络设备的发现和配置时，可以使用 UDP 广播，一台设备发送广播消息，局域网内的其他设备都能接收到。在视频会议中，主持人可以通过 UDP 多播将视频和音频数据发送给所有参会人员，实现高效的数据传输。通过 UDP 的广播和多播功能，可以减少网络带宽的占用，提高数据传输的效率，特别适合那些需要一对多或多对多通信的场景。

三、UDP 协议工作原理

3.1 UDP 报文格式

UDP 报文由首部和数据两部分组成，首部长度固定为 8 字节，由四个字段组成，每个字段都是 16 位（2 字节）。绘制 UDP 报文头类图如下：

下面详细解释各个字段的含义和作用：

源端口号（Source Port）：16 位字段，标识发送数据报的应用程序所在的端口。它的取值范围是 0 到 65535 。通常情况下，源端口号由操作系统分配，用于标识发送数据报的应用程序。当接收方需要回复发送方时，就可以根据这个源端口号将响应数据发送回正确的应用程序。例如，在 DNS 查询中，客户端随机选择一个源端口号（如 53000）发送查询请求，DNS 服务器在回复时，会将响应数据发送到这个源端口号。
目的端口号（Destination Port）：同样是 16 位字段，标识接收数据报的应用程序所在的端口，取值范围也是 0 到 65535 。目的端口号用于确定数据报应该交给哪个应用程序处理。当 UDP 数据报到达目标主机后，操作系统会根据这个目的端口号，将数据报交付给对应的应用程序。比如，DNS 服务器的默认目的端口号是 53，当 DNS 查询请求到达服务器时，操作系统会根据目的端口号 53，将请求数据交给 DNS 服务程序进行处理。
长度（Length）：16 位字段，表示整个 UDP 数据报的长度，包括 UDP 头部和数据部分。最小值是 8，因为 UDP 头部的长度固定为 8 字节。如果数据部分的长度为 0，那么整个 UDP 报文的长度就是 8 字节。假设一个 UDP 数据报，头部为 8 字节，数据部分为 50 字节，那么长度字段的值就是 58（8 + 50）。这个字段可以帮助接收方确定 UDP 数据报的边界，正确地解析出数据部分。
校验和（Checksum）：16 位字段，用于验证 UDP 报文在传输过程中是否发生了错误。它通过 UDP 头部、数据部分以及伪首部进行计算。伪首部包括源 IP 地址、目的 IP 地址、协议号（17 表示 UDP）和 UDP 报文长度。发送方在计算校验和时，会将这些信息一起参与计算，得到一个 16 位的校验和值，填充到校验和字段中。接收方收到数据报后，会按照同样的方法重新计算校验和，并与接收到的校验和字段进行比较。如果两者相等，说明数据报在传输过程中没有发生错误；如果不相等，说明数据报可能已经损坏，接收方通常会丢弃该数据报。

3.2 UDP 数据传输过程

UDP 数据从发送端到接收端的传输流程相对简单，下面绘制序列图来展示这个过程：

具体步骤如下：

发送端应用程序生成 UDP 数据报：发送端应用程序将要发送的数据交给 UDP 层，UDP 层创建一个 UDP 数据报，填充源端口号、目的端口号、长度和校验和等首部字段，并将应用程序的数据封装在数据部分。
UDP 层将数据报交给 IP 层：UDP 层完成数据报的封装后，将其交给 IP 层进行进一步处理。
IP 层封装并发送数据报：IP 层接收 UDP 数据报后，为其添加 IP 首部，包括源 IP 地址、目的 IP 地址等信息，然后通过网络将封装好的 IP 数据报发送出去。在这个过程中，数据报可能会经过多个路由器的转发，最终到达目标主机。
接收端 IP 层接收并处理数据报：目标主机的 IP 层接收到数据报后，检查 IP 首部的目的 IP 地址是否为本机地址。如果是，去除 IP 首部，将 UDP 数据报交给 UDP 层；如果不是，根据路由表进行转发。
接收端 UDP 层处理数据报：UDP 层接收到 UDP 数据报后，首先检查校验和字段，验证数据报在传输过程中是否发生错误。如果校验和正确，根据目的端口号，将数据报交付给对应的接收端应用程序；如果校验和错误，通常会丢弃该数据报。
接收端应用程序接收数据：接收端应用程序从 UDP 层获取到数据，进行后续的处理。

四、UDP 协议应用场景

UDP 协议凭借其独特的特性，在众多领域得到了广泛的应用。它就像一把万能钥匙，虽然不是适用于所有的锁，但在某些特定的 "锁" 面前，却能发挥出无与伦比的作用。以下是 UDP 协议常见的一些应用场景：

4.1 实时音视频传输

在视频会议、直播等实时音视频传输场景中，UDP 协议是当之无愧的首选。以视频会议为例，参会者们需要实时地看到和听到对方的音视频内容，这就对数据传输的实时性提出了极高的要求。UDP 协议的无连接性和低延迟特性，使得它能够快速地将音视频数据发送出去，减少了因建立连接而带来的时间消耗。即使在网络状况不佳的情况下，偶尔丢失一些数据帧，对于人的视觉和听觉来说，也不会造成太大的影响，因为人眼和人耳具有一定的容错能力，能够根据前后的内容进行一定程度的脑补和填补。例如，在一些在线教育平台的直播课程中，使用 UDP 协议进行视频流传输，能够让学生们实时地观看到老师的授课画面和听到讲解声音，即使出现短暂的卡顿或少量数据丢失，也不会影响整体的学习体验。在视频会议场景下，绘制 UDP 和 TCP 传输音视频数据的对比序列图如下：

4.2 在线游戏

在在线游戏领域，UDP 协议同样发挥着关键作用。对于玩家来说，游戏的流畅性和实时性至关重要。在一场激烈的多人在线射击游戏中，玩家的每一次移动、射击、跳跃等操作，都需要及时地传输到服务器，并同步给其他玩家。UDP 协议的低延迟和快速传输特性，能够满足游戏对实时数据传输的严格要求，确保玩家的操作指令能够迅速地被服务器接收和处理，减少游戏中的延迟和卡顿现象。虽然 UDP 协议不保证数据的可靠传输，但游戏开发者可以通过在应用层实现一些补偿机制，如预测玩家的下一步动作、对重要数据进行多次发送等，来弥补 UDP 协议的不足，保证玩家能够获得流畅的游戏体验。以《英雄联盟》这款热门游戏为例，它使用 UDP 协议进行数据传输，玩家在游戏中的各种操作能够快速地反馈到游戏画面中，让玩家沉浸在紧张刺激的游戏对战中。绘制 UDP 在在线游戏中的数据传输流程图如下：

4.3 DNS 查询

DNS（Domain Name System，域名系统）查询是 UDP 协议的经典应用场景之一。DNS 的主要功能是将人类可读的域名（如www.baidu.com）转换为计算机能够理解的 IP 地址（如 180.101.49.11）。在进行 DNS 查询时，通常只需要发送和接收一小部分数据，对可靠性的要求相对不高，而对查询的速度却有较高的要求。UDP 协议的快速传输特性和低开销特性，使得它非常适合用于 DNS 查询。当我们在浏览器中输入一个网址并按下回车键时，计算机首先会向本地 DNS 服务器发送一个 UDP 查询请求，本地 DNS 服务器接收到请求后，会根据缓存或进一步向其他 DNS 服务器查询，最终将查询到的 IP 地址返回给计算机，整个过程通常在极短的时间内完成。如果使用 TCP 协议进行 DNS 查询，由于 TCP 协议的连接建立和关闭过程较为复杂，会增加查询的时间开销，影响用户的上网体验。绘制 DNS 查询使用 UDP 的交互图如下：

4.4 其他应用场景

除了上述应用场景外，UDP 协议还在许多其他领域有着广泛的应用。在 NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）中，UDP 协议用于在网络设备之间同步时间信息。NTP 要求低延迟，以确保各个设备的时间能够准确同步，UDP 协议的低延迟特性正好满足了这一需求。在物联网设备通信中，许多物联网设备资源有限，需要一种简单、高效的传输协议。UDP 协议的无连接性和低开销特性，使得它非常适合物联网设备之间的通信，如传感器将采集到的数据发送给网关，智能家居设备接收控制指令等场景。在一些实时监控系统中，监控摄像头需要将采集到的视频数据实时传输到监控中心，UDP 协议的快速传输和对少量数据丢失的容忍性，能够保证监控画面的实时性和连贯性。

五、UDP 与 TCP 对比

在网络协议的大家庭中，UDP 和 TCP 作为传输层的两大重要协议，各自有着独特的特点和适用场景。它们就像是两位性格迥异的快递员，TCP 是一位严谨、负责的快递员，总是确保包裹准确无误、按顺序地送达；而 UDP 则是一位风风火火的快递员，追求速度和效率，不太在意包裹是否会丢失或顺序是否正确。下面我们将从可靠性、性能和适用场景三个方面对 UDP 和 TCP 进行详细的对比。

5.1 可靠性对比

TCP 协议以其卓越的可靠性著称，它就像一位责任心极强的快递员，为了确保数据准确无误地到达目的地，采用了多种机制。通过序列号，TCP 为每个发送的数据段都分配了一个唯一的编号，接收方可以根据这些编号对数据进行排序，即使数据在传输过程中出现乱序，也能被正确地重组。确认应答机制就像是快递员每送一个包裹都会等待收件人的确认签收，只有收到确认信息后，才会继续发送下一个包裹。如果在规定的时间内没有收到确认应答，TCP 会启动超时重传机制，重新发送未被确认的数据段，以确保数据不会丢失。TCP 还具备流量控制和拥塞控制机制，能够根据网络的状况动态调整数据的发送速率，避免网络拥塞和数据丢失。绘制 TCP 可靠性机制流程图如下：

相比之下，UDP 协议在可靠性方面就显得有些 "粗心大意" 。它不保证数据报的可靠传输，就像快递员把包裹扔出去后，不管收件人是否收到，也不会去确认。在 UDP 传输过程中，数据报可能会因为网络拥塞、链路故障等原因而丢失，而且 UDP 没有重传机制，一旦数据报丢失，应用程序也不会得到通知。UDP 也不保证数据报的顺序，由于不同数据报在网络中传输的路径不同，到达接收方的顺序可能与发送方发送的顺序不一致。

5.2 性能对比

在性能方面，UDP 和 TCP 各有千秋。UDP 协议由于其简单的结构和无连接的特性，就像一位轻装上阵的短跑运动员，在传输数据时具有较低的延迟和较高的传输效率。UDP 不需要进行连接建立和关闭的过程，减少了握手的时间开销，能够快速地将数据发送出去。UDP 的头部开销较小，只有 8 个字节，相比 TCP 的 20 - 60 字节，减少了数据传输的额外负担。在实时性要求较高的场景中，如实时音视频传输、在线游戏等，UDP 的低延迟特性能够确保数据的快速传输，提供流畅的用户体验。绘制 UDP 和 TCP 性能对比图如下：

然而，TCP 协议为了保证数据的可靠性，就像一位背负着沉重包裹的长跑运动员，在传输过程中引入了较多的开销，导致其传输效率相对较低。TCP 在发送数据前需要进行三次握手来建立连接，数据传输结束后还需要进行四次挥手来关闭连接，这个过程会消耗一定的时间和资源。在数据传输过程中，TCP 需要对每个数据段进行确认应答和重传，以及进行流量控制和拥塞控制，这些操作都会增加数据传输的延迟。当网络状况不佳时，TCP 的重传机制可能会导致大量的数据重传，进一步降低传输效率。

5.3 适用场景对比

由于 UDP 和 TCP 在可靠性和性能上的差异，它们适用于不同的应用场景。UDP 适用于那些对实时性要求较高，能够容忍少量数据丢失的场景。在实时音视频传输中，如视频会议、直播等，虽然偶尔丢失一些数据帧不会对人的视觉和听觉造成太大的影响，但如果出现较大的延迟，就会导致音视频卡顿，影响用户体验，因此 UDP 的低延迟特性非常适合这类场景。在在线游戏中，玩家的操作指令需要快速地传输到服务器，UDP 的快速传输能够满足游戏对实时性的要求，即使少量指令丢失，也可以通过游戏的补偿机制来弥补。

TCP 则适用于对数据可靠性和顺序性要求较高的场景。在文件传输中，如下载软件、上传文件等，确保文件的完整性和正确性至关重要，任何数据的丢失或错误都可能导致文件无法正常使用，因此 TCP 的可靠传输机制能够保证文件完整无误地传输。在网页浏览中，网页的内容需要按照正确的顺序加载，否则会出现页面显示错误的情况，TCP 的有序传输能够满足这一需求。

六、UDP 协议使用注意事项

6.1 数据长度限制

UDP 数据报的最大长度是有限制的，理论上，UDP 数据报的总长度（包括首部和数据部分）最大为 65535 字节，这是因为 UDP 首部中的长度字段是 16 位，其能够表示的最大值就是 65535 。由于 UDP 首部固定为 8 字节，所以 UDP 数据部分的最大长度为 65527 字节。在实际应用中，受限于底层网络的 MTU（最大传输单元），UDP 数据报的大小往往会受到更严格的限制。以以太网为例，其 MTU 通常为 1500 字节，刨去 20 字节的 IP 首部和 8 字节的 UDP 首部，UDP 数据部分的最大长度一般为 1472 字节。当我们需要传输超过 MTU 大小的数据时，就需要在应用层手动进行分包处理，将大数据拆分成多个小的数据报进行发送。在接收端，再根据数据报中的序号等信息进行重组，恢复原始数据。例如，在使用 UDP 传输大文件时，我们可以将文件分割成多个 1472 字节（或更小）的数据块，为每个数据块添加序号，然后依次发送这些数据块。接收方在接收到数据块后，根据序号将它们重新组装成完整的文件。绘制 UDP 分包传输大数据的流程图如下：

6.2 校验和的作用与局限性

UDP 协议中的校验和字段用于检测数据在传输过程中是否发生错误，它通过对 UDP 首部、数据部分以及伪首部进行计算得到。伪首部包含源 IP 地址、目的 IP 地址、协议号（17 表示 UDP）和 UDP 报文长度等信息。发送方在计算校验和时，将这些信息与 UDP 数据报一起参与计算，得到一个 16 位的校验和值，填充到校验和字段中。接收方收到数据报后，按照同样的方法重新计算校验和，并与接收到的校验和字段进行比较。如果两者相等，说明数据报在传输过程中没有发生错误；如果不相等，说明数据报可能已经损坏，接收方通常会丢弃该数据报。绘制 UDP 校验和计算与验证流程图如下：

然而，UDP 校验和也存在一定的局限性。它只能检测出数据在传输过程中是否发生了错误，但无法纠正错误。一旦校验和验证失败，接收方只能丢弃数据报，而无法对错误的数据进行修复。UDP 校验和并不能检测出所有的错误。由于校验和是通过对数据进行特定算法计算得到的，存在一定的误判概率，即数据可能发生了错误，但校验和却显示正确。在实际应用中，对于可靠性要求较高的数据传输，仅仅依靠 UDP 校验和是不够的，还需要在应用层采取其他的错误检测和纠正措施，如 CRC（循环冗余校验）等更强大的校验算法，或者引入重传机制来确保数据的准确传输。

七、总结

UDP 协议作为传输层的重要协议之一，以其独特的无连接性、不可靠性、面向数据报、低开销和广播支持等特点，在网络通信中占据着不可或缺的地位。它的工作原理简单直接，通过简洁的报文格式和高效的数据传输过程，为各种应用场景提供了快速的数据传输服务。

在实时音视频传输、在线游戏、DNS 查询等对实时性要求极高的场景中，UDP 协议凭借其低延迟和快速传输的特性，成为了首选的传输协议。在这些场景中，UDP 协议就像是一位风驰电掣的快递员，虽然偶尔会出现包裹丢失的情况，但能够确保大部分包裹快速送达，满足了应用对数据传输速度的严格要求。

与 TCP 协议相比，UDP 协议在可靠性和性能方面展现出了截然不同的特点。TCP 协议如同一位严谨细致的管家，通过各种复杂的机制确保数据的可靠传输和顺序性；而 UDP 协议则像是一位追求速度的冒险者，更注重数据传输的效率和实时性。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，合理地选择使用 UDP 协议或 TCP 协议，以实现最佳的网络通信效果。

在使用 UDP 协议时，我们也需要注意数据长度限制和校验和的作用与局限性等问题。了解这些注意事项，能够帮助我们更好地发挥 UDP 协议的优势，避免潜在的问题。

UDP 协议以其独特的魅力，在网络通信的舞台上扮演着重要的角色。随着网络技术的不断发展，UDP 协议也将在更多的领域中得到应用和创新，为我们的网络生活带来更多的便利和惊喜。